Кіріспе

Ми функциясының теориясы
Есте сақтауды болжау аясы – Джефф Хокинс жасаған және 2004 жылы жарық көрген «Интеллект туралы» кітабында сипатталған мидың жұмыс істеу теориясы. Бұл теория сүтқоректілердің неокортексінің, сондай-ақ гиппокамп пен таламуспен байланысының, сенсорлық ақпаратты сақталған естелік үлгілерімен салыстырудағы және осы процестің болашақта не болатынын болжауға қалай алып келетіндігіндегі рөлін қарастырады.

Шолу

Теория сүтқоректілерге тән кең ауқымды мінез-құлықтарды қамтамасыз ететін ми құрылымдарындағы (әсіресе неокортикальді тіндерде) байқалатын ұқсастықтармен негізделген. Теория, қабық тінінің өте біркелкі физикалық құрылымы барлық қабық ақпаратты өңдеу процесінің негізінде жатқан жалғыз принципті немесе алгоритмді көрсетеді деп тұжырымдайды. Негізгі өңдеу принципі – кортикальдық және кортикальдық емес қатысуды қамтитын (соңғысы ең алдымен таламус және гиппокамптан) кері байланыс/еске түсіру циклы болып саналады.

Негізгі теория: екі бағыттағы иерархияларды тану және болжау

Жады болжау аясының негізгі түсінігі – төменнен жоғары ақпараттарды тану иерархиясында салыстыру және күшейткіштер ретінде кодталған жоғарыдан төменге күтулер тізбегін тудыру болып табылады. Бұл күтулер төменнен жоғары ақпараттармен өзара әрекеттесіп, осы кірісті талдауға және келесі күтілетін кірісті болжауға мүмкіндік береді. Әрбір иерархиялық деңгей жиі кездесетін кіріс үлгілерінің уақыт тізбектерін есте сақтайды және осы тізбектерге белгілер немесе «атаулар» береді. Кіріс тізбегі иерархияның белгілі бір деңгейінде сақталған тізбекке сәйкес келгенде, белгі немесе «атау» иерархияның жоғары деңгейіне жіберіледі – бұл жоғары деңгейдегі бөлшектерді жоюға және оларға жоғары ретті тізбектерді үйренуге мүмкіндік береді. Бұл процесс жоғары деңгейдегі инварианттылықты арттырады. Жоғары деңгейлер жарым-жартылай тізбектерді салыстыру арқылы болашақ кірісті болжайды және олардың күтулерін төменгі деңгейлерге жобалайды. Дегенмен, кіріс пен сақталған/болжалған тізбек арасындағы қақтығыс туғанда, толыққанды бейнелеу жоғары қарай таралады. Бұл жоғары деңгейдегі балама «түсіндірулердің» белсенділігіне әкеледі, бұл өз кезегінде төменгі деңгейлерде басқа болжамдарды тудырады. Мысалы, көру процесін қарастырайық. Төменнен жоғары ақпарат төменгі деңгейдегі торша қабықшасы сигналдарынан басталады (жазбаша қарапайым визуалды элементтер мен контрасттардың болуын көрсетеді). Иерархияның жоғары деңгейлерінде сызықтардың, аймақтардың, қозғалыстардың және т.б. болуы туралы мағыналы ақпарат алынады. Иерархияның одан да жоғары деңгейлерінде белсенділік нақты объектілердің болуына сәйкес келеді, содан кейін осы объектілердің мінез-құлқына сәйкес келеді. Жоғарыдан төмен ақпарат танылған объектілер туралы және уақыт өте келе олардың күтілетін мінез-құлқы туралы бөлшектерді толықтырады. Сезімдік иерархия әртүрлі деңгейлер арасындағы бірқатар айырмашылықтарды тудырады. Иерархияға көтерілген сайын бейнелеулердің:
Кеңдігі – мысалы, көру өрісінің үлкенірек аймақтары немесе кеңірек тактильді аймақтар.
Уақытша тұрақтылығы – төменгі деңгейдегі элементтер жылдам өзгеріп отырады, ал жоғары деңгейдегі қабылдаулар көбінесе тұрақты болады.
Абстракциясы – инвариантты ерекшеліктерді біртіндеп бөліп алу процесі арқылы, күрделене түсетін абстрактілі элементтер танылады.
Сезімдік және моторлық өңдеу арасындағы қатынас негізгі теорияның маңызды аспектісі болып табылады. Кортекс аймақтарының моторлық бөлімдері сезімдік иерархияға ұқсас мінез-құлық иерархиясынан тұрады, ең төменгі деңгейлері бұлшық еттерге тікелей моторлық командалардан тұрады, ал ең жоғары деңгейлері абстрактілі нұсқауларға сәйкес келеді (мысалы, «браузердің мөлшерін өзгертіңіз»). Сезімдік және моторлық иерархиялар тығыз байланысты, мінез-құлық сезімдік күтулерді тудырады және сезімдік қабылдаулар моторлық процестерді басқарады. Соңында, барлық жадтар кортикальды иерархияда оқу арқылы қалыптасатынын атап өту маңызды – бұл ақпарат мида алдын ала бағдарланбаған. Сондықтан, кірістер мен мінез-құлықтар ағынынан осы бейнелеуді алу процесі таным кезінде үздіксіз жүретін процесс ретінде қарастырылады.

Басқа терминдер

Хокинс электр инженері ретінде кеңінен оқытылған. Теорияны сипаттаудың тағы бір жолы (оның кітабында қыстырып айтылғандай) – бұл алдын ала берілетін стохастикалық күй машиналарының оқу иерархиясы. Осы көзқарас бойынша ми – болашақты болжау қателіктерін түзететін кодтардан көп ерекшеленбейтін кодтау мәселесі ретінде талданады. Иерархия – абстракция деңгейлерінің иерархиясы, жоғары деңгейдегі машиналардың күйі абстрактілі жағдайларды немесе оқиғаларды көрсетеді, ал бұл күйлер төменгі деңгейдегі машиналарды белгілі бір өтулерді орындауға итермелейді. Төменгі деңгейдегі машиналар тәжірибе салаларын шектеулі түрде модельдейді немесе сенсорларды немесе атқарушы органдарды басқарады немесе түсіндіреді. Жүйенің барлығы организмнің мінез-құлқын бақылайды. Күй машинасы "алдын ала берілетін" болғандықтан, организм өткен деректерден болжаған болашақ оқиғаларға жауап береді. Иерархиялық құрылымға ие болғандықтан, жүйе мінез-құлықтың икемділігін көрсетеді, жаңа сезімдік деректерге жауап ретінде мінез-құлықтың жаңа тізбектерін оңай құра алады. Жүйе оқуға қабілетті болғандықтан, жаңа мінез-құлық өзгеріп жатқан жағдайларға бейімделеді. Демек, мидың эволюциялық мақсаты – болашақты, әрине шектеулі түрде болжау, осы арқылы оны өзгерту.

Нейрофизиологиялық іске асыру

Жоғарыда сипатталған иерархиялар негізінен сүтқоректілердің неокортексінде пайда болады деп теорияланады. Атап айтқанда, неокортекс көптеген бағаналардан тұрады деп есептеледі (бұл Вернон Бенджамин Маунткасл анатомиялық және теориялық тұрғыдан да болжаған). Әрбір бағана иерархияның белгілі бір деңгейіндегі нақты бір ерекшелікке қадағаланады. Ол төменгі деңгейлерден түсетін сигналдарды, сондай-ақ жоғары деңгейлерден келетін сигналдарды қабылдайды. (Бір деңгейдегі басқа бағаналар да берілген бағанаға сигнал жіберіп, белсендірудің ерекше өрнектерін тежеуге көмектеседі.) Егер сигнал танылса – яғни төменгі және жоғары деңгейлерден келетін сигналдардың арасында үйлесімділікке қол жеткізілсе – бағана сигналдарды шығарады, олар өз кезегінде төменгі және жоғары деңгейлерге таралады.

Қалқанша

Бұл процестер сүтқоректілердің қабығының нақты қабаттарымен жақсы сәйкес келеді. (Қабық қабаттарын өңдеу иерархиясының әртүрлі деңгейлерімен шатастыруға болмайды: бір бағандағы барлық қабаттар бір иерархиялық деңгейдегі бір элемент ретінде қатысады). Төменнен келетін ақпарат 4-ші қабатқа (L4) жетеді, одан ол инвариантты мазмұнды тану үшін L2 және L3 қабаттарына таралады. Жоғарыдан келетін белсенділік L1 арқылы L2 және L3 қабаттарына жетеді (көбінесе аксоналды қабат, ол белсенділікті бағаналар бойынша жергілікті түрде таратады). L2 және L3 қабаттары төменнен келетін және жоғарыдан келетін ақпаратты салыстырып, жеткілікті сәйкестік болған жағдайда инвариантты "атауларды" немесе сәйкестік болмаған жағдайда өзгермелі сигналдарды жасайды. Бұл сигналдар иерархия бойынша жоғары (L5 арқылы) және төмен (L6 және L1 арқылы) таралады.

Таламус

Үлгілер тізбектерін сақтау және тану үшін екі процестің үйлесімі ұсынылады. Таламус "кешіктіру желісі" ретінде жұмыс істейді, яғни L5 мидың осы аймағын қосады, ол L1-ді шамалы кешігуден кейін қайтадан қосады. Осылайша, бір бағанның шығысы L1 белсенділігін тудырады, ол тізбекте уақыт бойынша келесі бағанға түсетін кіріспен сәйкес келеді. Бұл уақыттық реттелу тізбектің жоғары деңгейдегі идентификациясымен бірге жұмыс істейді, ол уақыт өте келе өзгермейді; демек, тізбек бейнесін қосу төменгі деңгейдегі компоненттерді бірінен кейін бірі болжауға мүмкіндік береді. (Тізбек құрудағы осы рөлінен өзге, таламус сонымен қатар сенсорлық станция ретінде де жұмыс істейді – бұл рөлдер, көрінеді, осы анатомиялық біртекті емес құрылымның ерекше аймақтарын қамтиды.)

Гиппокамп

Гиерархиялық танымда маңызды рөл атқаратыны болжанатын, анатомиялық жағынан әртүрлі ми құрылымы – гиппокамп. Екі гиппокампқа да зақым келтіру ұзақ мерзімді декларативті жадты қалыптастыруды бұзады; мұндай зақымдалған адамдар эпизодтық сипаттағы жаңа жадтарды жасай алмайды, бірақ бұрынғы жадтарын қиындықсыз еске түсіре алады және жаңа дағдыларды үйрене алады. Ағымдағы теория бойынша, гиппокамптар қыртыс иерархиясының ең жоғарғы деңгейі ретінде қарастырылады; олар жоғары деңгейге дейін жететін оқиғалардың жадтарын сақтауға маманданған. Мұндай оқиғалар болжауға болатын үлгілерге сәйкес келсе, олар иерархияның төменгі деңгейлерінде жадта қалады. (Жадтардың иерархия бойынша төмен қарай жылжуы, инцидент бойынша, теорияның жалпы болжамы болып табылады.) Осылайша, гиппокамптар «күтпеген» оқиғаларды (яғни, төменгі деңгейде болжалмағандарын) үнемі жадта сақтайды; егер олар зақымданса, иерархия арқылы жадты сақтаудың бүкіл процесі бұзылады. 2016 жылы Хокинс қыртыс бағаналары сезінуді ғана емес, сонымен қатар сезінудің үш өлшемдегі (орналасқан түсіру) салыстырмалы орналасуын, екі емес, оны қоршаған нәрсеге қатысты ұстайды деген гипотеза ұсынды. «Ми әлемнің моделін құрғанда, барлық нәрсенің басқа нәрселерге қатысты орны болады».

Машиналық оқыту үлгілері

Жад болжау теориясы неокортекстің барлық аймақтарында бірдей алгоритм қолданылатынын айтады. Бұл теория иерархиялық жад құрылымын қолданып, осы ортақ алгоритмді модельдеуге бағытталған бірнеше бағдарламалық үлгілерді құруға әкелді. Төмендегі тізімде көрсетілген жыл – үлгінің соңғы жаңартылған уақыты.

Бейес желілеріне негізделген модельдер

Келесі модельдер бір-бірімен байланысты Байес желілерінде сенім тарату немесе сенімді қайта қарауды қолданады. Иерархиялық Уақытша Жады (HTM) – модель, оған байланысты даму платформасы және Numenta, Inc. (2008) компаниясының бастапқы коды. HtmLib – Грег Коханиканың HTM алгоритмдерінің баламалы іске асырылуы, танудың дәлдігі мен жылдамдығын жақсарту үшін бірқатар өзгерістермен (2008). «Неокортекс» жобасы – жадты болжау жүйесін модельдеуге арналған ашық бастапқы жоба (2008). Саулюс Гаралевичустың зерттеу беті, зерттеу еңбектері және жадты болжау шеңберінің моделімен эксперименталды нәтижелерді ұсынатын бағдарламалар, «Неокортекс» жобасының негізі (2007). Numenta компаниясының негізін қалаушысының HTM-ге дейінгі Бейес моделін сипаттайтын мақала. Бұл Бейес желілерін пайдаланатын жадты болжаудың алғашқы моделі және жоғарыда аталған барлық модельдер осы бастапқы идеяларға негізделген. Бұл модельдің Matlab бастапқы коды бірнеше жыл бойы жүктеу үшін тегін қолжетімді болды.

Басқа үлгілер

MPF-ті іске асыру, Саулиус Гаралевичустың уақытша реттіліктерді сақтайтын және қадағалаусыз оқытуды қолданатын модельде классификациялау және болжау әдісін сипаттаған мақаласы (2005). M5, Palm OS үшін үлгілер тізбектерін сақтайтын және ағымдағы ортасына қатысты үлгілерді еске түсіретін үлгі машинасы (2007). BrainGame, үлгілерді үйренетін және басқа болжаушылармен байланыстырыла алатын ашық кодты болжаушы классы (2005).