Теория синаптической пластичности Хебба

Неожиданно выяснилось, что алгоритм обучения машины Больцмана имеет долгую историю в нейробиологии, начинающуюся с психолога Дональда Хебба, который в книге «Организации поведения» постулировал, что, когда два нейрона срабатывают одновременно, связь между ними должна усиливаться:

«Давайте предположим, что постоянная или повторяющаяся отражательная активность («след») ведет к длительным клеточным изменениям, которые усиливают стабильность. Когда аксон клетки А находится достаточно близко, чтобы возбудить клетку В, и неоднократно или постоянно принимает участие в ее возбуждении, в одной или обеих клетках происходит некий процесс роста или метаболических изменений, так что эффективность клетки А, возбуждаемой клеткой В, увеличивается».

Возможно, это самое известное предсказание во всей нейробиологии. Позже синаптическая пластичность была обнаружена в гиппокампе – важной для долговременной памяти области мозга. Когда пирамидальная клетка гиппокампа получает сильный входной сигнал одновременно с возбуждением нейрона, сила синапсов увеличивается. Последующие эксперименты показали, что усиление основано на сочетании высвободившегося из синапса нейромедиатора и повышения напряжения в нейроне-реципиенте.

Более того, это соединительное явление было распознано особым глутаматным рецептором NMDA, который вызывает долговременную потенциацию (усиление) синаптической передачи. ДП возникает быстро и длится долго, что создает хорошую почву для долгосрочной памяти. Пластичность Хебба в синапсе определяется совпадениями между входами и выходами, как и в алгоритме машинного обучения Больцмана.

Еще удивительнее то, что машине Больцмана требовалось заснуть, чтобы научиться! Алгоритм обучения состоял из двух этапов. На первом, когда входы и выходы привязаны к желаемому изображению, блоки в сети многократно обновлялись, чтобы прийти к равновесию, и подсчитывалось, сколько каждая пара блоков работала одновременно. Мы назвали это фазой пробуждения. На втором этапе входные и выходные блоки были освобождены, и отрезок времени, в течение которого каждая пара блоков работала вместе, был подсчитан в независимом режиме. Мы назвали это фазой сна. Затем сила каждого соединения обновлялась пропорционально разнице между частотой совпадения в фазах бодрствования и сна (см. блок 4).

Рис. 7.5. Симметричное неупорядоченное растровое изображение. У каждой сетки 10×10 есть вертикальная, горизонтальная или диагональная ось зеркальной симметрии. Цель сетевой модели – научиться определять ось симметрии на новых рисунках, которые еще не использовали для обучения сетевой модели

Фаза сна у машины необходима, чтобы определить, какая часть зафиксированных взаимосвязей вызвана внешними причинами. Не отбрасывая внутренние взаимосвязи, сеть укрепит внутренние модели деятельности и научится игнорировать внешнее влияние – сетевую версию индуцированного психоза. Интересно, что у людей экстремальное недосыпание приводит к бредовым состояниям – распространенной проблеме в больницах в отделениях интенсивной терапии, где нет окон и постоянно горит свет. Пациенты с шизофренией часто страдают нарушениями сна, которые могут усиливать спутанность их сознания. Мы были убеждены, что находимся на правильном пути к пониманию того, как работает наш мозг.

Изучение зеркальной симметрии

Пример задачи, которую, в отличие от перцептрона, решит машина Больцмана, – изучение зеркальной симметрии. Наше тело симметрично относительно вертикальной оси. Мы можем создать много случайных узоров с такой симметрией, как показано на рис. 7.5. Мы также можем создавать рисунки с горизонтальной и диагональной осями симметрии. В нашей модели машины Больцмана эти блоки двоичных входов размером 10×10 проецировались на 16 скрытых блоков, которые, в свою очередь, проецировались на три входных блока, по одному для каждой из трех вероятных осей симметрии. После обучения на 6000 симметричных входных образах машина Больцмана успешно определяла ось симметрии новых входных образов в 90 процентах случаев. Перцептрон может лишь действовать наугад, потому что один вход не несет никакой информации о симметрии узора – необходимо учитывать корреляции между парами входов. Примечательно, что машина Больцмана видела вовсе не то, что видите вы, ведь каждый скрытый блок получал входящие данные в определенном порядке. Как если бы для вас входные блоки расположили в хаотичном порядке, который бы выглядел беспорядочной массой даже при наличии скрытой симметрии.

Однажды я смотрел на экран и определял симметрию каждого входного набора данных по два в секунду. Нил Коэн, коллега с факультета психологии Университета Хопкинса, который тоже вел наблюдение, был поражен моим результатом. Наблюдая за процессом обучения машины Больцмана, я и сам научился находить симметрию автоматически, не всматриваясь. Мы поставили эксперимент с участием студентов и проследили за их успехами. Вначале им требовалось много времени, чтобы правильно определить симметрию. Но после нескольких дней обучения они сильно ускорились, и к концу эксперимента задача стала для них настолько легкой, что они могли разговаривать с нами во время ее выполнения и одновременно давать правильный ответ. Это пример удивительно быстрого перцептивного обучения.

В Университете Хопкинса я вел курс «Вычислительная биофизика», в ходе которого привлек несколько талантливых студентов и исследователей. Бен Юхас, аспирант с кафедры электротехники, во время работы над докторской диссертацией научил нейросеть читать по губам. Известно, как звучит речь при разных движениях рта. Сеть Бена преобразовала изображения рта во время артикуляции в соответствующий частотный спектр звука, порождаемый в каждый момент времени. Затем это добавили к звуковому спектру шумов, чтобы улучшить распознавание речи. Андреас Андреу, громкоголосый грек с Кипра, создавал аналоговые сверхбольшие интегральные схемы в подвале Бартон-холла. В 1980-х годах преподаватели на факультете, как и в других университетах, относились к нейросетям враждебно, однако Бена и Андреаса это не остановило. Андреас поднялся по карьерной лестнице до профессора и стал одним из основателей Центра языка и обработки речи в Университете Хопкинса.