1 Создание модели условного рефлекса и его торможения или

Создание модели условного рефлекса и его торможения или
«Дай лапу, Друг!»
Исследовательский проект
по биологии, математике и информатике
Морозова Анна
Петухов Андрей
Ученики 7 класса А
Руководители:
Высочанская Ю. М.,
Ботт Г. Г.
Москва
2010
2
Содержание
Вступление
Дрессировка животных и условия образования условного рефлекса.
Дрессировка
Условный рефлекс
Нейроны
Алгебра логики
Моделирование
Создания модели условного рефлекса и его торможения
Заключение
Литература
3
Вступление
Нам, современным детям, очень тяжело учиться в школе. 16 предметов,
а ещё дополнительное образование, и как писала Агния Барто, ...драмкружок,
кружок по фото, а ещё мне петь охота!! Вот и задумываемся: а нельзя ли какнибудь сократить школьную программу? Все ли предметы так важны и
нужны; пригодятся ли они нам? Конечно, наши учителя, пытаются доказать
нам, как важен и нужен их предмет. А мы верим или не верим? Или просто
принимаем как факт. А надо бы задуматься. Зачем? А вот зачем.
Однажды я поняла, что повзрослела и готова взять на себя такую
огромную ответственность, как живое, доброе и чуткое существо – собака.
Но не просто завести, а самой ее дрессировать. Можно, конечно, купить
книгу по дрессировке, но очень хочется самой разобраться в этом. Почему у
одних моих друзей пёс – преданный друг, понимающий, выполняющий все
команды хозяина, а у других – просто бестолковая живность, не
реагирующая ни на кого, кроме себя, любимого.
В попытке разобраться в этой проблеме мне пришлось совместить,
казалось бы, несовместимые предметы и понятия, углубиться в биологию,
математику и информатику
4
Дрессировка животных и условия образования условного рефлекса.
При изучении курса дрессировки я встретила понятия из биологии рефлексы и нейроны. В результате появилась идея создания модели
возникновения условного рефлекса с помощью информационных
технологий. Для этого пришлось глубже изучить темы из других предметов.
Из математики - логические операции и системы счисления, из информатики
– моделирование, алгоритмы и программу Excel.
Дрессировка
Дрессировка – это процесс приучения собаки к выполнению каких
либо действий по команде дрессировщика. Воспитание и начальная
дрессировка собак, выработка у них необходимых навыков достигаются
четырьмя основными методами: механическим, вкусопоощрительным,
контрастным
При
и
механическом
методе
подражательным.
для
выработки условного рефлекса условный
раздражитель,
«Стоять!»,
подкрепляется
например
команда
сопровождается
и
безусловным
механическим раздражителем, например
нажимом ладонью под живот собаке
снизу вверх, а выполненное действие
поощряется поглаживанием собаки. Этот
метод довольно эффективен. С его помощью рефлексы вырабатываются
быстро, они устойчивы. Но есть навыки, к которым данный метод
неприменим, например, навык выборки собакой вещи или человека по его
запаху.
Пользоваться этим методом следует осторожно, не допуская сильных
5
болевых воздействий, так как они могут вызвать у собаки боязнь
дрессировщика
и
нарушить
установленный
между
ними
контакт.
При вкусопоощрительном методе после условного раздражителя,
например команды «Ко мне!», дрессировщик в качестве безусловного
раздражителя применяет лакомство, показывая его в своей руке, а после
того как собака подбежит, отдает ей лакомство. В данном случае условные
рефлексы вырабатываются быстро и на продолжительный срок, но они
менее устойчивы, чем при механическом методе. Кроме того, указанным
методом
нельзя
выработать
все
необходимые
навыки.
Вкусопоощрительный метод особенно эффективен при воспитании и
начальной
дрессировке
щенков.
При контрастном методе после условного раздражителя, например
команды «Стоять!», применяется безусловный механический раздражитель:
нажим ладонью под живот снизу вверх, а после того как собака выполнит
команду, ее правильные действия подкрепляются дачей лакомства. Этот
метод наиболее эффективен и применяется чаще других, так как позволяет
довольно быстро вырабатывать устойчивые условные рефлексы (навыки),
поддерживает постоянный интерес собаки к работе и способствует
укреплению
контакта
с
дрессировщиком.
При подражательном методе необходимые навыки вырабатываются на
основе врожденной способности собак подражать действиям сородичей, а в
отдельных случаях и человеку. Так, например, для выработки навыка
преодоления по команде препятствий щенок или необученная взрослая
собака пускается по команде на препятствие вслед за обученной собакой.
Этот метод особенно часто применяется при воспитании и начальной
дрессировке щенков.
6
Условный рефлекс
Термин, который впервые был использован
русским физиологом И. П. Павловым для
описания приобретенного рефлекса, т.е. не
являющегося
врожденным,
а
потому
свойственного отдельному индивиду, а не всем
представителям данного вида. Когда на язык
попадает лимонный сок, выделяется слюна – это
безусловный рефлекс. Однако слюна может
выделяться также при виде лимона или при
звучании слова «лимон» – это условный рефлекс. Различие заключается в
том, что вид лимона или звучание этого слова не всегда вызывают выделение
слюны и вдобавок могут не оказывать воздействия на тех или иных людей.
Подобные стимулы приобретают способность вызывать реакцию лишь после
того, как предъявлялись более или менее одновременно со стимуляцией
вкусовых рецепторов лимонным соком. Вид лимона или звучание слова
«лимон»
в
этом
случае
оказываются
условными
(сигнальными)
раздражителями, замещающими безусловный раздражитель – лимонный сок.
Для
опыта,
осуществленного
Павловым,
требовалась
звукоизолированная комната, где можно было контролировать условия
внешней среды, специально оборудованное место для животного и
устройство для автоматической подачи пищи. По мере надобности могли
предъявляться стимулы разной природы (звонки, вспышки света и т.п.).
Посредством несложной хирургической операции Павлов выводил у собаки
слюнный проток наружу, так что слюну можно было собирать и измерять ее
количество. В типичном эксперименте умеренно голодную собаку несколько
раз оставляли в звукоизолированной комнате, чтобы она привыкла к
обстановке и не испытывала эмоционального напряжения. В этот период
тщательно
замерялось
выделение
слюны,
которое
обычно
бывало
7
незначительным. Затем предъявлялся стимул – включался звонок, что могло
вызывать легкое усиление слюноотделения (как следствие открытого
Павловым ориентировочного рефлекса), но после нескольких повторений
собака обычно теряла к нему интерес. Далее начинался процесс выработки
условного рефлекса. Звучал звонок, через несколько секунд в миску собаки
падала еда. Пока собака ела, измеряли количество выделившейся слюны, а
когда слюноотделение прекращалось, снова звенел звонок и появлялась
пища. После нескольких таких сочетаний звонка и пищи проводился
следующий эксперимент, в котором звонок не сопровождался появлением
пищи.
Сигнал,
ранее
нейтральный,
теперь
вызывал
выраженное
слюноотделение – срабатывал условный рефлекс. В подобной ситуации пища
является безусловным стимулом, звонок – условным стимулом, или
условным сигналом, а совместное появление пищи и звонка называется
подкреплением.
Само
образование
условных
рефлексов
обозначают
термином «обусловливание». Павлову удалось показать, как возникает
условный рефлекс в ответ на разнообразные сигналы и разные типы и
условия подкрепления. Кроме того, он обнаружил, что в том случае, когда
условный сигнал многократно предъявляется без подкрепления, происходит
затухание рефлекса. При этом реакция ослабевает, часто становится
нерегулярной, и в конце концов условный сигнал перестает действовать.
На основе своих опытов Павлов разработал несколько теорий работы
коры головного мозга, в частности теорию возбуждения и торможения –
состояний
коры,
характеризующихся
повышенной
и
пониженной
активностью. Он предположил, что торможение, разливаясь по коре,
является причиной такого феномена, как затухание условного рефлекса.
Павлов считал, что сон – это состояние, при котором торможение полностью
захватывает кору головного мозга. Более поздние работы в области
неврологии и психофизиологии показали, что работа коры намного сложнее,
чем он предполагал
8
Нейроны
Основными свойствами нервных клеток — нейронов, образующих
нервную ткань, являются возбудимость и проводимость. Возбудимость —
это способность нервной ткани в ответ на раздражение приходить в
состояние возбуждения, а проводимость — способность передавать
возбуждение в форме нервного импульса другой клетке (нервной, мышечной,
железистой). Благодаря этим свойствам нервной ткани осуществляется
восприятие, проведение и формирование ответной реакции организма на
действие внешних и внутренних раздражителей.
Нервная клетка, или нейрон, состоит из тела и отростков двух видов.
Тело нейрона представлено ядром и окружающей его областью цитоплазмы.
Это метаболический центр нервной клетки; при его разрушении она
погибает. Тела нейронов располагаются преимущественно в головном и
спинном мозге, т. е. в центральной нервной системе (ЦНС), где их скопления
образуют серое вещество мозга. Скопления тел нервных клеток за пределами
ЦНС формируют нервные узлы, или ганглии.
Короткие,
древовидно
ветвящиеся
отростки,
отходящие от тела нейрона,
называются дендритами. Они
выполняют функции восприятия
раздражения
и
передачи
возбуждения в тело нейрона.
Самый мощный и длинный
(до 1 м) неветвящийся отросток называется аксоном, или нервным волокном.
Его функция состоит в проведении возбуждения от тела нервной клетки к
концу аксона. Он покрыт особой белой липидной оболочкой (миелином),
выполняющей роль защиты, питания и изоляции нервных волокон друг от
9
друга. Скопления аксонов в ЦНС образуют белое вещество мозга. Сотни и
тысячи нервных волокон, выходящих за пределы ЦНС, при помощи
соединительной
ткани
объединяются
в
пучки
—
нервы,
дающие
многочисленные ответвления ко всем органам.
От
концов
аксонов
отходят
боковые
ветви,
заканчивающиеся
расширениями — аксоппыми окончаниями, или терминалями. Это зона
контакта с другими нервными, мышечными или железистыми метками. Она
называется синапсом, функцией которого является передача возбуждения.
Один нейрон через свои синапсы может соединяться с сотнями других
клеток.
Конъюнкция
Дизъюнкция
Отрицание
10
Пороговая
передаточная
функция,
другое
название
Функция
-
Хэвисайда. Представляет собой перепад. До тех пор пока взвешенный сигнал
на входе нейрона не достигает некоторого уровня T — сигнал на выходе
равен нулю. Как только сигнал на входе нейрона превышает указанный
уровень — выходной сигнал скачкообразно изменяется на единицу.
Благодаря этому появляется возможность смоделировать работу нейрона с
помощью формальных логических функций.
Изображения иллюстрируют, каким образом можно, задав веса входных
сигналов
и
порог
чувствительности,
заставить
нейрон
выполнять
конъюнкцию (логическое «И») и дизъюнкцию (логическое «ИЛИ») над
входными сигналами, а также логическое отрицание входного сигнала.
Этих трех операций достаточно, чтобы смоделировать абсолютно любую
логическую функцию любого числа аргументов.
Алгебра логики
Своим существованием наука «алгебра логики» обязана английскому
математику Джорджу Булю, который исследовал логику высказываний.
Первый в России курс по алгебре логики был прочитан Б. Порецким в
Казанском государственном университете.
Базовыми элементами, которыми оперирует алгебра логики, являются
высказывания. Высказывания строятся над множеством {B, , , , 0, 1}, где
B — непустое множество, над элементами которого определены три
операции:
11
отрицание (унарная операция),
конъюнкция (бинарная),
дизъюнкция (бинарная),
константы — логический ноль 0 и логическая единица 1.
Конъюнкция (от лат. conjunctio - союз, связь) — логическая операция, по
своему применению максимально приближённая к союзу "и". Синонимы:
логическое "И", логическое умножение, иногда просто "И".
Дизъюнкция — логическая операция, по своему применению максимально
приближённая к союзу «или» в смысле «или то, или это, или оба сразу».
Синонимы: логическое «ИЛИ», включающее «ИЛИ», логическое сложение,
иногда просто «ИЛИ».
Отрицание в логике — унарная операция над суждениями, результатом
которой является суждение (в известном смысле) «противоположное»
исходному. Обозначается знаком ¬
Моделирование
Моделирование – это метод познания, состоящий в создании и
исследовании моделей.
Основные этапы разработки и исследования моделей на компьютере.
На первом этапе исследования объекта или процесса, обычно строится
описательная
информационная
модель.
Такая
модель
выделяет
существенные, с точки зрения целей проводимого исследования, параметры
объекта, а несущественными параметрами пренебрегает.
12
На
втором
этапе
создается
формализованная
модель,
то
есть
описательная информационная модель записывается с помощью какого-либо
формального языка. В такой модели с помощью формул, уравнений,
неравенств и пр. фиксируются формальные соотношения между начальными
и конечными значениями свойств объектов, а также накладываются
ограничения на допустимые значения этих свойств.
На третьем этапе необходимо формализованную информационную
модель преобразовать в компьютерную модель, то есть, выразить ее на
понятном для компьютера языке. Существуют два принципиально различных
пути построения компьютерной модели:
· построение алгоритма решения задачи и его кодирование на одном из
языков программирования;
·
построение компьютерной модели с использованием одного из
приложений (электронных таблиц, СУБД и пр.).
Четвертый этап исследования информационной модели состоит в
проведении компьютерного эксперимента. Если компьютерная модель
существует в виде программы на одном
из языков программирования, ее нужно
запустить на выполнение и получить
результаты.
Если
компьютерная
модель
исследуется в приложении, например в
электронных таблицах, можно провести
сортировку или поиск данных, построить диаграмму или график и так далее.
Пятый этап состоит в анализе полученных результатов и корректировке
исследуемой модели. В случае различия результатов, полученных при
исследовании информационной модели, с измеряемыми параметрами
реальных объектов можно сделать вывод, что на предыдущих этапах
построения модели были допущены ошибки или неточности. Например, при
построении описательной качественной модели.
13
Создания модели условного рефлекса и его торможения
1.
10 клеток, для которых данные вводятся вручную в диапазоне от
0 до 1 (есть раздражитель, нет раздражителя). Первые 5 клеток обозначаем
«Безусловный рефлекс», вторые 5 клеток «Условный рефлекс».
2.
для
Клетки «Нейроны имеют свойства нейронов, создающих цепочку
усвоения
рефлекса.
Их
данные
заполняются
автоматически
в
зависимости от данных в клетках «Условного» и «Безусловного» рефлексов.
Эти клетки представлены конъюнкцией, и лишь последняя представлена
дизъюнкцией.
3.
Клетка «Рефлекс» - конец цепи. Она показывает реагирует ли
животное на команду. Она представлена дизъюнкцией. По мере отключения
подачи безусловного рефлекса, рефлекс пропадает (цепь между нейронами
разрушится). Таким образом в модели представлено «торможение»1.
Для проверки модели вводим в поле В4 (безусловный рефлекс) единицу
(подача раздражителя)2. В поле «Рефлекс» загорается надпись «ИСТИНА»
(безусловный рефлекс собаки сработал). Теперь вернем B4 в исходное
состояние (отключим раздражитель), а в поле С4 (условный рефлекс)
поставим единицу3. Поле «Рефлекс» осталось ложным . Но если мы в оба
поля (С4, В4) поставим по единице, то начнется построение цепочки в полях
«Нейроны» (собака начнет понимать взаимосвязь между условными
безусловным рефлексами)4. По мере заполнения единицами оставшихся
Исходный вид модели представлен на рисунке 1 в приложении 1.
см. рис. 2 приложения 1.
3
см. рис. 3 приложения 1.
4
см. рис. 4 приложения 1.
1
2
14
полей (В5, С5 … В8, С8), построится цепочка из нейронов (собака полностью
поймет связь)5.
Теперь проверим эффект «торможения». Начнем возвращать в поля
«Безусловный рефлекс» нули, не трогая «Условный рефлекс» (используем
команду без подкрепления ее безусловным рефлексом)6. Тогда цепь нейронов
постепенно разрушится и поле «Рефлекс» вновь станет ложным, хотя в поле
Проведенное исследование подтверждает, что условный рефлекс
возникает после неоднократного повторения сочетания условного и
безусловного раздражителя и исчезает без периодического закрепления
выработанного условного рефлекса.
5
6
см. рис. 5 приложения 1.
см. рис. 6 приложения 1.
15
Заключение
Разбираясь
в возникших проблемах, нам пришлось изучить самые
разнообразные материалы необходимые для правильного создания мадели и
последующего анализа собранных данных. Теперь понятны причины неудач
в дрессировке собаки. Почему нельзя несколько раз нельзя повторять
команду или почему надо периодически тренировать собаку. В заключении
хочется сказать о том, что современные технологии позволяют не только
проверить давно открытые законы, но и провести исследования в боле
простых и эффективных условиях. При этом требуются знания и наыки из
самых разных областей науки и техники.
16
Литература
В. Г. Колонков, Дрессировка собак. Теория и практика Издательство: Агата,
АСТ, 2008 г., 288 стр.
Тираж: 3000 экз.
Дж. Г. Николлс, А. Р. Мартин, Б. Дж. Валлас, П. А. Фукс
От нейрона к мозгу From Neuron to Brain Издательство: ЛКИ, 2008 г., 676
стр.
Джон Уокенбах Microsoft Office Excel 2007. Библия пользователя (+ CDROM)
Excel 2007: Bible Издательство: Вильямс, 2008 г., 816 стр.
http://digital.sibsutis.ru/digital/AlgLog.htm
http://ru.wikipedia.org/
17
Приложение 1
рис. 1
рис. 2
рис. 3
18
рис. 4
рис. 5
рис. 6
рис. 7