Том 30, № 3 (2022)
Статьи
О методологии исследования когнитивных систем
Аннотация
20–24 сентября 2021 года в Институте прикладной физики РАН, Нижний Новгород прошла Седьмая Всероссийская конференция «Нелинейная динамика в когнитивных исследованиях». Конференция традиционно была посвящена текущему состоянию, перспективам и новым возможностям экспериментальных исследований и формализованного описания когнитивных процессов, а также проблемам, связанным с разработками симуляторов живых систем.
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2022;30(3):257-260
257-260
Порождение бифуркации общественного мнения алгоритмами социальных сетей
Аннотация
Цель настоящего исследования — рассмотреть возможность нелинейного влияния алгоритмов социальных сетей на мнения пользователей и условия возникновения поляризации мнений в социуме посредством общения в социальной сети. Методы. В данной работе используется метод математического моделирования динамики мнений пользователей социальной сети. Рассматривается несколько стратегий отношения пользователей к поступающей информации: стратегия 1 — пользователь положительно относится к информации, близкой его позиции, независимо от направления отличия; стратегия 2 — пользователь положительно относится к той информации, которая выражает его позицию, но более определенно. Результаты. Показано, что за счет алгоритма ранжирования информации социальной сетью может происходить поляризация мнений в социуме — формируются два аттрактора. Бифуркация возникает при превышении 40% доли людей, положительно оценивающих позицию, соответствующую их взглядам, но более четкую — доля стратегии 2 в социуме. Если же все пользователи пользуются стратегией 1, то общество приходит к консенсусу — единому среднему мнению, формируется один аттрактор. Заключение. Алгоритмы социальной сети могут порождать поляризацию социума или усиливать ее больше, чем при устном общении, без социальной сети интернета. Взаимодействие пользователей в социальной сети существенно нелинейно и алгоритмы социальной сети усиливают нелинейность восприятия информации человеком, создавая односторонний поток поступающей информации.
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2022;30(3):261-267
261-267
Переход от эргодических режимов к режимам многочастичной локализации в открытых квантовых системах с точки зрения нейросетевого представления
Аннотация
Целью нашей работы является исследование асимптотических стационарных состояний открытой неупорядоченной многочастичной квантовой модели, которая характеризуется переходом эргодическая фаза — многочастичная локализация (МЧЛ). Чтобы найти эти состояния, мы используем нейросетевой анзац, новый метод моделирования сложных квантовых состояний многих тел, предложенный и обсуждаемый в недавних публикациях. Наш главный результат состоит в том, что переход эргодическая фаза – многочастичная локализация обнаруживается в работе нейронной сети, которая обучена воспроизводить асимптотические состояния модели. Хотя сеть способна воспроизводить с относительно высокой точностью эргодические состояния, она не может этого сделать, когда модельная система входит в MЧЛ-фазу. Мы заключаем, что особенности MЧЛ-режима трансформируются в ландшафт функции стоимости, который становится сильно неравномерным и приобретает множество локальных минимумов.
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2022;30(3):268-275
268-275
Построение функции приспособленности, зависящей от множества конкурирующих стратегий, на основе анализа популяционной динамики
Аннотация
Цель настоящей работы состоит в построении функции приспособленности, зависящей от множества сосуществующих конкурирующих наследственных элементов, на основе популяционной динамики в модели «хищник– жертва» с логистическим ростом жертв. Материалы и методы. В работе используется обобщенная модель Вольтерры. Роль хищника играет планктоноядная рыба. В качестве жертв рассматривается множество различных видов зоопланктона, которые отличаются друг от друга наследственными стратегиями ежедневных вертикальных миграций. Модель учитывает внутривидовую конкуренцию жертв. Особенность модели состоит в наличии пар наследственных стратегий, в которых носители первой могут вытеснять носителей второй и наоборот — носители второй вытеснять носителей первой, в зависимости от того, в каком множестве конкурирующих стратегий они сосуществуют. Для восстановления функции приспособленности применяется метод ранжирования, который сводится к классификации упорядоченных пар наследственных стратегий по двум классам «первая стратегия вытесняет вторую» и «вторая вытесняет первую». Результаты. В статье представлена новая методика построения функции приспособленности. Методика предполагает два этапа. Сначала восстанавливается функция приспособленности для некоторого конечного подмножества элементов на основе обработки данных долгосрочной динамики их численностей и сравнения их конкурентных преимуществ. На втором этапе выводится форма функции приспособленности для произвольного множества элементов. Здесь используются особенности межвидового взаимодействия, отраженные в модели. С помощью построенной функции приспособленности моделируется эволюционно устойчивый режим суточных вертикальных миграций зоопланктона путем численного решения минимаксной задачи. Заключение. Предложенная методика построения функции приспособленности, зависящей от множества конкурирующих стратегий, является достаточно общей и вполне может быть применена для широкого круга моделей популяционной динамики. Построенная в результате моделирования стратегия суточных вертикальных миграций зоопланктона хорошо согласуется с эмпирическими данными.
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2022;30(3):276-298
276-298
Сегментная спайковая модель нейрона CSNM
Аннотация
Цель настоящего исследования — разработка сегментной спайковой модели нейрона как элемента растущих нейронных сетей. Методы. В работе применены методы математического и численного моделирования и проведено сравнение реакций на одиночный импульс предложенной сегментной спайковой модели нейрона и модели порогового интегратора с утечкой. Рассмотрен также вопрос о влиянии гиперпараметров предложенной модели на динамику возбуждения нейрона. Все описанные эксперименты проводились в среде Matlab Simulink с использованием средств разработанной библиотеки. Результаты. По результатам исследования был сделан вывод о том, что предложенная модель способна качественно воспроизвести реакцию точечной классической модели, а настройка гиперпараметров позволяет воспроизводить следующие закономерности распространения сигналов в биологическом нейроне: уменьшение максимального потенциала и увеличение задержки между входным и выходным импульсами с увеличением размера нейрона или длины дендрита, а также рост потенциала при увеличении числа активных синапсов. Заключение. Показано, что предложенная сегментная спайковая модель нейрона позволяет описывать поведение биологических нейронов на уровне воспроизведения динамики преобразования импульсных сигналов. Гиперпараметры модели позволяют осуществлять настройку реакций нейрона при фиксированных остальных параметрах. Такая модель может использоваться как элемент спайковых нейронных сетей с детализацией до уровня сегментов дендритных деревьев нейронов.
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2022;30(3):299-310
299-310
Измерение когнитивного потенциала на основе выполнения задач различного уровня сложности
Аннотация
Цель работы. Статья посвящена теме измерения когнитивного потенциала человека на основе полученных экспериментальных данных с целью выявления его потенциальных возможностей, а также мониторинга их динамики, например, для диагностики восстановления после перенесенного заболевания. Данная цель разбивается в исследовании на две задачи, а именно, чтобы оценить когнитивный потенциал, необходимо разработать два алгоритма. 1. Оценки уровня когнитивной сложности задач. 2. Системы уровней когнитивного потенциала для индивида. Методы. Основу методов составляет комплекс экспериментальных, в том числе специально разработанных авторских методик, а также математических методов для обработки данных и расчета введенных специфических параметров для формализации когнитивного потенциала. Результаты. На основе указанных методов предложены способы (и конкретные формулы) расчета когнитивного потенциала индивида, используя экспериментальные данные и задачи различного уровня сложности. Заключение. В рамках данного исследования создана методология определения значения когнитивного потенциала на основе теории информационных образов/репрезентаций. Для объективизации когнитивных навыков (в том числе, так называемых softskills) разработан специальный web-инструментарий. Полученные метрики позволят исследовать влияние социальных, генетических и патогенетических факторов на динамику когнитивных способностей. Предложена новая теоретическая и технологическая платформа для цифрового картирования и оптимизации когнитивных функций.
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2022;30(3):311-321
311-321
Клинические аспекты нелинейной динамики когнитивных процессов: особенности сенсомоторной активности у пациентов на клинической фазе COVID-19
Аннотация
Механизмы ретроградного или антероградного нейронального транспорта обеспечивают миграцию вирусов SARS-CoV-2 в моторные и сенсорные терминали, что может провоцировать существенные искажения в процессах распознавания информационных образов и формирования программ действий. Цель настоящего исследования — экспериментально определить динамические режимы когнитивной системы у пациентов с COVID-19. Когнитивные процессы отображены в пространстве параметров сенсомоторной активности при решении задач разного уровня сложности на WEB-платформе КОГНИТОМ. Пациентам и здоровым предъявлены одинаковые наборы стимулов в одинаковых функциональных контекстах. Ковид-специфические режимы обработки информации проявились в резком уменьшении скорости когнитивных процессов и увеличении количества пропусков целевых событий. Полученные данные открывают новые возможности для построения биологоправдоподобной модели когнитивной системы с учетом особенностей нейрональной платформы при COVID-19.
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2022;30(3):322-330
322-330
Нейродинамическая модель творческого познания реляционных сетей с четным циклическим торможением
Аннотация
Целью исследования является изучение нейродинамических основ творческой деятельности мозга. Современные системы искусственного интеллекта, использующие обучение глубоких нейронных сетей, требуют больших объемов входных данных, высоких вычислительных затрат и длительного времени обучения. Напротив, мозг может обучаться на небольших наборах данных в кратчайшие сроки и, что принципиально важно, кардинально отличается наличием творческих способностей. Методы. Исследование выполнено посредством вычислительных экспериментов с нейронными сетями, содержащими 5 и 7 осцилляторных слоёв (контуров), обученных представлять абстрактные концепты определенного класса животных. Схема нейронных сетей с четным циклическим торможением (ECI-сетей) содержит только билатеральные тормозные связи и состоит из двух субсетей: референтной некодирующей сети, являющейся аналогом нейронной сети режима мозга по умолчанию и основной информационной сети, получающей временные градиентные последовательности входных сигналов и контекстных входов. После обучения считывание популяционных фазовых кодов выполнялось простым линейным декодером. Результаты и обсуждение. Концептуальное обучение сети приводит к генерации ряда пространственных абстрактных изображений, отличающихся наиболее выраженными признаками релевантной линейки животных. В вычислительных экспериментах получен широкий набор изоморфных представлений концептов посредством: а) преобразований пространств изображений в широком диапазоне временных шкал обучающего входного потока сигналов; б) внутренней регуляции временных масштабов ментальных представлений концептов; в) подтверждения на модели зависимости психологической близости концептов от семантической дистанции; г) вызова из памяти (декодирования) распределенных групп нейронов концептов животных, которым сеть не была обучена. Заключение. В настоящей работе впервые показано, как используя небольшой набор входных событийных данных (последовательность четырех CCW- и двух CW-сигналов) и весьма ограниченные вычислительные ресурсы, сети с чётным циклическим торможением проявляют креативные начала познания на основе реляционных отношений, концептуального обучения и обобщения знаний.
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2022;30(3):331-357
331-357
«Метафора компьютера», межполушарная асимметрия и видовое (спонтанное) знание Homo sapiens
Аннотация
Цель настоящей статьи — дополнить дискуссию в области исследований и моделирования процесса познания I — данными нейропсихологии и межполушарной асимметрии и II — размышлениями о видовом (спонтанном) знании Homo sapiens. I. Данные нейропсихологии и межполушарной асимметрии свидетельствуют о двух разнонаправленных и взаимодополняющих способах обработки информации и регуляции функций, присущих мозгу. Один из этих способов — аналитическая, компьютероподобная обработка информации, необходимая при произвольном обучении, второй способ обеспечивает целостно-симультанную, образную, бессознательную и непроизвольную обработку. Двойственность познавательных стратегий ярко проявляется при психологическом анализе синдромов в случае мозговых поражений, а также различных состояний у здоровых людей (например, в случае билингвизма). II. Биологическое существование, являющееся основой для всех других пластов жизни, обеспечивается видоспецифическим поведением и знаниями. Предположительно, видовое знание проявляется как 1 — постоянная непроизвольная оценка окружающего мира и адекватные реакции на изменения в мире: от обыденных реакций (посторониться, прибавить шаг и т. п.) до способности без раздумий реагировать в опасных ситуациях. 2 — Способность понимать связи между явлениями без научных расчетов. О существовании такой способности говорит вся история человечества. Люди выживали без науки и попутно науку создавали. 3 — Глубинное знание (часто без возможности логически объяснить), что является естественным, полезным для нас, как для представителей вида Homo Sapiens, а что является противоестественным и вредным. Есть основания предположить, что видовое знание является основой, которая определяет общее в поведении людей разных эпох и культур во всем, что связано с продолжением рода и взращиванием нового поколения. Видовые знания сливаются воедино в процессе развития со знаниями, полученными при обучении.
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2022;30(3):358-372
358-372
К 75-летию Владимира Григорьевича Яхно
Аннотация
Уже много лет доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией автоволновых процессов ИПФ РАН Владимир Григорьевич Яхно является членом редакционной коллегии журнала «Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика». В нынешнем 2022 году Владимир Григорьевич отметил свое семидесятипятилетие. Бодрости, активности и энергии, оптимистического настроя и упорства в отстаивании научной тематики ему не занимать. Мы, его ученики и коллеги, сердечно поздравляем его с днем рождения и желаем здоровья, исполнения личных и творческих планов!
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2022;30(3):373-382
373-382