МАККЪЛОК & ПИТС

И ранният прототип на технологичната невронна мрежа

Годината е 1943-та и в Европа бушува Втората световна война. По това време САЩ е в периферията на конфликта и има ресурса да приюти и развива световните умове в изчислителните науки. Въпреки драматичния фон на Стария континент, устремът на науката към технологични пробиви не престава, дори е донякъде стимулиран от военната надпревара. В ранните 40-те на 20-ти век неврофизиологът Уорън МакКълок (1898г. – 1969г.) от Университета в Илинойс и математикът Уолтър Питс (1923г. – 1969г.) от Чикагския университет извеждат напред хибридна научна концепция, която стане фундамент на част от високите технологии през следващото столетие. МакКълок и Питс публикуват влиятелен трактат, с който представят идейният прототип на невронната мрежа, в смисъла, в който днешните технологии за изкуствен интелект влагат в това понятие. Двамата разглеждат невроните в човешкия мозък като сноп изчислителни процесори, които, взети заедно, формират мозъка като биологична изчислителна машина, чието функциониране може да се онагледи математически.

„По отношение на математическата биофизика тази теория е приносна като инструмент за строго символно третиране на известни мрежи и като лесен метод за конструиране на нови, хипотетични мрежи с нужните им свойства…“,

четем в научния доклад, наречен “A Logical Calculus of Ideas of Immanent in Nervous Activity’’, в съвместното авторство на двамата учени.  Десетилетие преди тяхната работа, от средата на 30-те, светът вече познава т.нар. Машина на Тюринг като модел на математико-логичен алгоритъм. Неврофизиологът и математикът стъпват върху идеята за изчислителността, на която е базирана Машината на Тюринг и обявяват хомологичната ѝ връзка с принципа на функциониране на човешкия мозък. Мозъкът като действаща, жива Машина на Тюринг. През 1943-та все още няма нужните компютърни интерфейси и МакКълок и Питс симулират работата на мрежата от неврони чрез стандартна схема с електрически импулси, но не след дълго – само десет години по-късно – ще настъпи времето на надпреварата за изчислителна мощ и ще се появят грамадните компютри, заемащи по цяла стена в лабораториите на техническите университети. В началото на 50-те учени от MIT ще приложат модела на МакКълок и Питс и ще реализират първия вариант на реална невронна мрежа, симулирана от компютърно устройство.

В какво точно се състои пробивът на двамата американци? Дали в прякото сравнение между мозък и машина или в идеята да се уподоби неврона на изчислителен процесор? Тук интенцията е по-глобална и засяга принципа на автоматизма като инженерен концепт. До началото на 20-ти век и до Машината на Тюринг, най-общо казано, автоматизираното устройство или автоматът е механизъм, който ползва някакъв принцип на работа (изчисление) или  алгоритъм. Базирайки се на входни данни, чрез зададен алгоритъм може да достави изходни резултати, които са логически свързани с първоначално подадените параметри. Тук ключова е логическата свързаност – т.е. предвидимостта или липсата на случайност при крайния резултат. По този начин функционират автоматите от Средновековието до 40-те години на 20-ти век.

Невронната мрежа в концепцията на МакКълок и Питс надгражда всичко това със способността си да извлича информация въз основа на подадени данни (сложни по структура или пък дори неточни) като ги използва, за да изработи изчислителен модел, който да послужи за отчитане например на дадена тенденция или за генериране на нова информация. Тук предвидимостта на логическата свързаност между входни и изходни данни е усъвършенствана до автоматизъм, способен на адаптивно учене, самоорганизация и себеподобряване. Вече говорим за автомат (машина), който може да се учи, да се самоусъвършенства когнитивно и да конструира напълно нов сет от знания, по начин, далечно наподобяващ сложното функциониране на мозъка.

През 20-ти век ще се заговори още и за т.нар. конекционизъм (connectionism) или невронно подобно изчисление като подход в сферата на изкуствения интелект (AI), базиран на  изучаването на човешкия мозък на невронно ниво и по-конкретно – на знанието за това как ние хората запаметяваме информация и натрупваме нов опит. Това е времето и на по-засилени експерименти в теорията на прогнозирането и вероятностите в сферата на математиката и роботиката, които се прицелват в достигането на машина, способна не просто да осъществява програмирани операции, но и да прогнозира събития или да извършва машинно изчисляване на проблем в реално време, ако бъде поставена в естествена ситуация.

МакКълок и Питс постигат пробив в математическото описание на невронната структура, следващо неврофизиологичната дефиниция, което поставя началата на неронната мрежа, широко използвана днес като технология за обучение на изкуствен интелект. Неврофизиологичните изследвания на двамата учени предлагат математическо описание на функционирането на мрежата от неврони и синапси в мозъка чрез ползването на бинарната числова система. Този подход поставя научното приложение на принципа на автоматизма на по-високо ниво и отваря вратите за бъдещото развитие на технологиите в сферата на машинното обучение, науката за данни и различните типове невронни мрежи, които намират все по-масово приложение в ежедневието ни.

---