Во времена Хебба еще не умели измерять силу синапсов и ее изменения, не говоря уже о том, чтобы разбираться в молекулярной биологии синаптических процессов. Сегодня мы знаем, что синапсы возникают и развиваются, когда вскоре после пресинаптических нейронов возбуждаются постсинаптические. Как и во всех других клетках, концентрация ионов внутри и за пределами нейрона отличается, и из-за этого на клеточной мембране имеется электрическое напряжение. Когда пресинаптический нейрон возбуждается, в синаптическую щель выделяются крохотные пузырьки с молекулами нейротрансмиттеров. Они заставляют открыться каналы в мембране постсинаптического нейрона, из которых выходят ионы калия и натрия, меняющие напряжение на мембране. Если одновременно возбуждается достаточное количество близко расположенных пресинаптических нейронов, напряжение подскакивает и по аксону постсинаптического нейрона проходит потенциал действия. Благодаря этому ионные каналы становятся восприимчивее, а также появляются новые, усиливающие синапс каналы. Насколько нам известно, нейроны учатся именно так.
Следующий шаг — превратить все это в алгоритм.
Взлет и падение перцептрона
Первая формальная модель нейрона была предложена в 1943 году Уорреном Маккаллоком57 и Уолтером Питтсом58. Она была во многом похожа на логические вентили, из которых состоят компьютеры. Вентиль ИЛИ включается, когда как минимум один из его входов включен, а вентиль И — когда включены все. Нейрон Маккаллока–Питтса включается, когда количество его активных входов превышает определенное пороговое значение. Если порог равен единице, нейрон действует как вентиль ИЛИ. Если порог равен числу входов — как вентиль И. Кроме того, один нейрон Маккаллока–Питтса может не давать включаться другому: это моделирует и ингибирующие синапсы, и вентиль НЕ. Таким образом, нейронные сети могут совершать все операции, которые умеет делать компьютер. Поначалу компьютер часто называли электронным мозгом, и это была не просто аналогия.
Однако нейрон Маккаллока–Питтса не умеет учиться. Для этого соединениям между нейронами надо присвоить переменный вес, и в результате получится так называемый перцептрон. Перцептроны были изобретены в конце 1950-х Фрэнком Розенблаттом59, психологом из Корнелльского университета. Харизматичный оратор и очень живой человек, Розенблатт сделал для зарождения машинного обучения больше, чем кто бы то ни было. Своим названием перцептроны обязаны его интересу к применению своих моделей в проблемах восприятия (перцепции), например распознавания речи и символов. Вместо того чтобы внедрить перцептроны в компьютерные программы, которые в те дни были очень медлительными, Розенблатт построил собственные устройства: вес был представлен в них в виде переменных резисторов, как те, что стоят в переключателях с регулируемой яркостью, а для взвешенного обучения использовались электромоторы, которые крутили ручки резисторов. (Как вам такие высокие технологии?)
В перцептроне положительный вес представляет возбуждающее соединение, а отрицательный — ингибирующее. Если взвешенная сумма входов перцептрона выше порогового значения, он выдает единицу, а если ниже — ноль. Путем варьирования весов и порогов можно изменить функцию, которую вычисляет перцептрон. Конечно, много подробностей работы нейронов игнорируется, но ведь мы хотим все максимально упростить, и наша цель — не построить реалистичную модель мозга, а разработать обучающийся алгоритм широкого применения. Если какие-то из проигнорированных деталей окажутся важными, их всегда можно будет добавить. Несмотря на все упрощения и абстрактность, можно заметить, что каждый элемент этой модели соответствует элементу нейрона:
Чем больше вес входа, тем сильнее соответствующий синапс. Тело клетки складывает все взвешенные входы, а аксон применяет к результату ступенчатую функцию. На рисунке в рамке аксона показан график ступенчатой функции: ноль для низких значений входа резко переходит в единицу, когда вход достигает порогового значения.
Представьте, что у перцептрона есть два непрерывных входа x и y (это значит, что x и y могут принимать любые числовые значения, а не только 0 и 1). В таком случае каждый пример можно представить в виде точки на плоскости, а границей между положительными (для которых перцептрон выдает 1) и отрицательными (выход 0) примерами будет прямая линия:
Дело в том, что граница — это ряд точек, в которых взвешенная сумма точно соответствует пороговому значению, а взвешенная сумма — линейная функция. Например, если вес x — 2, вес y — 3, а порог — 6, граница будет задана уравнением 2x + 3 = 6. Точка x = 0, y = 2 лежит на границе, и, чтобы удержаться на ней, нам надо делать три шага вперед для каждых двух шагов вниз: тогда прирост x восполнит уменьшение y. Полученные в результате точки образуют прямую.
Нахождение весов перцептрона подразумевает варьирование направления прямой до тех пор, пока с одной стороны не окажутся все положительные примеры, а с другой — все отрицательные. В одном измерении граница — это точка, в двух измерениях — прямая, в трех — плоскость, а если измерений больше трех — гиперплоскость. Визуализировать что-то в гиперпространстве сложно, однако математика в нем работает точно так же: в n измерениях у нас будет n входов, а у перцептрона — n весов. Чтобы решить, срабатывает перцептрон или нет, надо умножить каждый вес на значение соответствующего входного сигнала и сравнить их общую сумму с пороговым значением.
Если веса всех входов равны единице, а порог — это половина числа входов, перцептрон сработает в случае, если срабатывает больше половины входов. Иными словами, перцептрон похож на крохотный парламент, в котором побеждает большинство (хотя, наверное, не такой уж и крохотный, учитывая, что в нем могут быть тысячи членов). Но при этом парламент не совсем демократический, поскольку в целом не все имеют равное право голоса. Нейронная сеть в этом отношении больше похожа на Facebook, потому что несколько близких друзей стоят тысячи френдов, — именно им вы больше всего доверяете, и они больше всего на вас влияют. Если друг порекомендует вам фильм, вы посмотрите его и вам понравится, в следующий раз вы, вероятно, снова последуете его совету. С другой стороны, если подруга постоянно восторгается фильмами, которые не доставляют вам никакого удовольствия, вы начнете игнорировать ее мнение (и не исключено, что дружба поостынет).
Именно так алгоритм перцептрона Розенблатта узнает вес входов.
Давайте рассмотрим «бабушкину клетку», излюбленный мысленный эксперимент когнитивных нейробиологов. «Бабушкина клетка» — это нейрон в вашем мозге, который возбуждается тогда и только тогда, когда вы видите свою бабушку. Есть ли такая клетка на самом деле — вопрос открытый, но давайте изобретем ее специально для машинного обучения. Перцептрон учится узнавать бабушку следующим образом. Входные сигналы для этой клетки — либо необработанные пиксели, либо различные жестко прошитые свойства изображения, например карие глаза: вход будет равен 1, если на изображении есть карие глаза, и 0 — если нет. Вначале вес всех соединений, ведущих от свойств к нейронам, маленький и произвольный, как у синапсов в мозге новорожденного. Затем мы показываем перцептрону ряд картинок: на одних есть ваша бабушка, а на других нет. Если перцептрон срабатывает при виде бабушки или не срабатывает, когда видит кого-то еще, значит, никакого обучения не нужно (не чини то, что работает). Но если перцептрон не срабатывает, когда смотрит на бабушку, это значит, что взвешенная сумма значений его входов должна быть выше и веса активных входов надо увеличить (например, если бабушка кареглазая, вес этой черты повысится). И наоборот, если перцептрон срабатывает, когда не надо, веса активных входов следует уменьшить. Ошибки — двигатель обучения. Со временем черты, которые указывают на бабушку, получат большой вес, а те, что не указывают, — маленький. Как только перцептрон начнет всегда срабатывать при виде вашей бабушки и ошибочные срабатывания исчезнут, обучение завершится.
Перцептрон вызвал восторг в научном сообществе. Он был простым, но при этом умел узнавать печатные буквы и звуки речи: для этого требовалось только обучение на примерах. Коллега Розенблатта по Корнелльскому университету доказал: если положительные и отрицательные примеры можно разделить гиперплоскостью, перцептрон эту плоскость найдет. Розенблатту и другим ученым казалось вполне достижимым истинное понимание принципов, по которым учится мозг, а с ним — мощный многоцелевой обучающийся алгоритм.
