ВЫСОКОУРОВНЕВАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ЭМОЦИОНАЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ МОЗГА НА ОСНОВЕ НОРАДРЕНАЛИНОВОЙ ПОДСИСТЕМЫ НЕЙРОННОЙ ИМПУЛЬСНОЙ СЕТИ
|
ВВЕДЕНИЕ 2
1. ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ И НЕЙРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ СИМУЛЯЦИЯ 6
1.1. Искусственный интеллект и эмоции 6
1.2. Система нейротрансмиттеров. Происхождение, механизм, рецепторы. .. 9
2. НОРАДРЕНАЛИН 14
2.1. Норадреналин - понятие, происхождение, механизм, функции 14
2.2. Норадреналин: рецепторы 22
3. РОЛЬ НОРАДРЕНАЛИНА В ЭМОЦИОНАЛЬНОМ СОСТОЯНИИ ЧЕЛОВЕКА 31
3.1. Трехмерная модель эмоций 31
3.2. Норадреналиновая подсистема 36
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 43
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 47
1. ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ И НЕЙРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ СИМУЛЯЦИЯ 6
1.1. Искусственный интеллект и эмоции 6
1.2. Система нейротрансмиттеров. Происхождение, механизм, рецепторы. .. 9
2. НОРАДРЕНАЛИН 14
2.1. Норадреналин - понятие, происхождение, механизм, функции 14
2.2. Норадреналин: рецепторы 22
3. РОЛЬ НОРАДРЕНАЛИНА В ЭМОЦИОНАЛЬНОМ СОСТОЯНИИ ЧЕЛОВЕКА 31
3.1. Трехмерная модель эмоций 31
3.2. Норадреналиновая подсистема 36
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 43
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 47
Последнее время все большее внимание ученых привлекает новое направление исследований — эмоциональные вычисления [1]. Роль эмоций в эволюции естественного интеллекта велика, искусственный интеллект пока многое упускает в этом отношении, в нем невозможно воплотить многие явления, связанные с эмоциональной картиной, с эмоциональным состоянием человека [2].
И все-таки, что такое эмоции? Кэррол Изард считает, что эмоции - это нечто, что переживается как чувство, которое мотивирует, организует и направляет восприятие, мышление и действия [3]. Без всего этого невозможно построить более сложное сознание, сложное поведение в социальной и окружающей среде. В ходе эволюции эмоции развивались для достижения целей, определения специфических функций, которые необходимы, чтобы выжить в условиях реального мира, для общения и многого другого.
Ученые считают, что возможно провести аналогию между вычислительными и мыслительными процессами, поэтому ученым из области искусственного интеллекта активно помогают когнитивные нейробиологи, психологи и философы [4]. Нейробиологам удалось показать связь нейромодуляторов, принимающих активное участие в эмоциях человека, с принятием решений Оказалось, что способность человека быстро принимать решения связана с тем, что информация в нашем мозге эмоционально «расцвечена», мы часто принимаем решения просто под воздействием того или иного эмоционального импульса [6]. Однако это совсем не так в современных вычислительных системах.
Просто выходя на улицу, мы принимаем большое количество решений: повернуть голову в сторону громкого звука или не поворачивать; переходить улицу или не переходить, если там едут автомобили. Эти решения принимаются сознательно и бессознательно, процессы носят эмоциональную окраску и вовлекают множество структур мозга [7]. Как результат, эмоции (нейромодуляторы) сильно влияют на мыслительный процесс, другими 3
словами, на вычислительные функции нейронов. Так, например, считается, что нейромедиатор дофамин отвечает за награду, мотивацию, серотонин - радость, норадреналин - гнев, ярость [8].
Было замечено, что в мозге присутствуют так называемые контуры. Например, основной таламо-кортикальный контур выглядит так: кора мозга влияет на подкортикальные структуры (таламус, полосатое тело и так далее), вызывая положительную или отрицательную эмоциональную обратную связь, которая, в свою очередь, влияет на кору. Другими словами, сознательные процессы влияют на неосознанные эмоциональные процессы, и наоборот, эмоциональные процессы влияют на осознанные — мы постоянно находимся в эмоциональном цикле [9]. Однако это нельзя сказать о робототехнических системах. Отсутствие эмоций у роботов не позволяет воспроизвести многие действия, связанные с эмоциональным состоянием человека.
Объектом данного исследования являются норадреналиновые подсистемы, а предметом исследования - нейромедиаторы, объясняющие поведение человека при определенной концентрации норадреналина.
Целью данной работы является разработка высокоуровневой архитектуры норадреналиновой подсистемы нейронной импульсной сети мозга. Сформулированная цель предполагает решение следующих задач:
- изучить основные понятия, связанные с норадреналином;
- выявить основные рецепторы норадреналина, их функции;
- понять, как норадреналин влияет на эмоции;
- разобрать основные пути норадреналина;
- изобразить модель норадреналиновой подсистемы и показать его связь с различными нейромедиаторами.
Методологической основой исследования послужили такие методы исследования, как метод моделирования, теоретический анализ психологической литературы, научных изданий по нейробиологии, нейрофизиологии.
Работа состоит из введения, двух глав, заключения, а также списка использованной литературы и приложений. Первая глава посвящена обзору норадреналина, его механизму, функциям и подсистемам, вторая - роли норадреналина в эмоциональном состоянии мозга человека.
И все-таки, что такое эмоции? Кэррол Изард считает, что эмоции - это нечто, что переживается как чувство, которое мотивирует, организует и направляет восприятие, мышление и действия [3]. Без всего этого невозможно построить более сложное сознание, сложное поведение в социальной и окружающей среде. В ходе эволюции эмоции развивались для достижения целей, определения специфических функций, которые необходимы, чтобы выжить в условиях реального мира, для общения и многого другого.
Ученые считают, что возможно провести аналогию между вычислительными и мыслительными процессами, поэтому ученым из области искусственного интеллекта активно помогают когнитивные нейробиологи, психологи и философы [4]. Нейробиологам удалось показать связь нейромодуляторов, принимающих активное участие в эмоциях человека, с принятием решений Оказалось, что способность человека быстро принимать решения связана с тем, что информация в нашем мозге эмоционально «расцвечена», мы часто принимаем решения просто под воздействием того или иного эмоционального импульса [6]. Однако это совсем не так в современных вычислительных системах.
Просто выходя на улицу, мы принимаем большое количество решений: повернуть голову в сторону громкого звука или не поворачивать; переходить улицу или не переходить, если там едут автомобили. Эти решения принимаются сознательно и бессознательно, процессы носят эмоциональную окраску и вовлекают множество структур мозга [7]. Как результат, эмоции (нейромодуляторы) сильно влияют на мыслительный процесс, другими 3
словами, на вычислительные функции нейронов. Так, например, считается, что нейромедиатор дофамин отвечает за награду, мотивацию, серотонин - радость, норадреналин - гнев, ярость [8].
Было замечено, что в мозге присутствуют так называемые контуры. Например, основной таламо-кортикальный контур выглядит так: кора мозга влияет на подкортикальные структуры (таламус, полосатое тело и так далее), вызывая положительную или отрицательную эмоциональную обратную связь, которая, в свою очередь, влияет на кору. Другими словами, сознательные процессы влияют на неосознанные эмоциональные процессы, и наоборот, эмоциональные процессы влияют на осознанные — мы постоянно находимся в эмоциональном цикле [9]. Однако это нельзя сказать о робототехнических системах. Отсутствие эмоций у роботов не позволяет воспроизвести многие действия, связанные с эмоциональным состоянием человека.
Объектом данного исследования являются норадреналиновые подсистемы, а предметом исследования - нейромедиаторы, объясняющие поведение человека при определенной концентрации норадреналина.
Целью данной работы является разработка высокоуровневой архитектуры норадреналиновой подсистемы нейронной импульсной сети мозга. Сформулированная цель предполагает решение следующих задач:
- изучить основные понятия, связанные с норадреналином;
- выявить основные рецепторы норадреналина, их функции;
- понять, как норадреналин влияет на эмоции;
- разобрать основные пути норадреналина;
- изобразить модель норадреналиновой подсистемы и показать его связь с различными нейромедиаторами.
Методологической основой исследования послужили такие методы исследования, как метод моделирования, теоретический анализ психологической литературы, научных изданий по нейробиологии, нейрофизиологии.
Работа состоит из введения, двух глав, заключения, а также списка использованной литературы и приложений. Первая глава посвящена обзору норадреналина, его механизму, функциям и подсистемам, вторая - роли норадреналина в эмоциональном состоянии мозга человека.
Моноаминами называются три важных нейромедиатора, входящих в одну аминогруппу - норепинефрин (норадреналин), дофамин и серотонин. Как и ацетилхолин, норадреналин был открыт давно, потому что он тоже находится за пределами мозга. Это главное химическое вещество, регулирующее физические изменения, сопровождающие эмоциональный подъем. Норадреналин является катехоламином с двойной ролью гормона и нейромедиатора.
Норадреналин синтезируется из тирозина в качестве прекурсора и упаковывается в синаптические пузырьки. Он выполняет свои действия по освобождению в синаптическую щель, где воздействует на адренорецепторы, сопровождаемый сигналом прекращения путем деградации норадреналина или путем поглощения окружающие клетки.
Норадреналин выделяется из мозгового вещества надпочечников в кровь в виде гормонов. Нейроны, содержащие норадреналин, сконцентрированы в области моста заднего мозга. Основное место залегания - голубоватое пятно, в котором сосредоточена примерно половина (3000) всех норадреналинергических нейронов мозга. Они также представлены в locus subcoeruleus (A5, A6, A7), ретикулярной формации (А1), ядрах солитарного тракта (А2). Аксоны клеток голубоватого ядра направляются в кору больших полушарий, гиппокамп, таламус, гипоталамус, мозжечок и спинной мозг, при этом ипсилатеральные проекции преобладают над контрлатеральными. Терминалы групп А1 и А2 направляются в таламус и миндалину. Большинство симпатических постганглионарных волокон выделяет норадреналин.
Норепинефрин выполняет свои действия на клетки-мишени, связываясь и активируя определенные адренергические рецепторы, а именно альфа и бета - рецепторы. Сначала выявляется подтип рецептора, а затем определяется клеточный эффект, и таким образом норадреналин оказывает различные действия на различные типы клеток.
Норадреналиновая система имеет две подсистемы: дорсальную и ветральную. Дорсальная подсистема проецирует на всем протяжении переднего мозга, включая неокортекс и гиппокамп, а также лимбическую систему, которая участвует в эмоциях. Вентральная подсистема расположена в основном в гипоталамусе и в других висцеральных частях мозга.
Основным источником норадреналина является голубое пятно. Дополнительным источником являются группы клеток А1, А2, расположенные в ядре одиночного пути. Основные компоненты мозга, задействованные в модели:
1. Двигательная кора (Motor cortex). Двигательная кора проецируется на рецепторы норадреналина, расположенных в голубоватом пятне, при помощи глутамата.
2. Слой ядра бороздки на терминале (BNST). Холинергические иннервации в BNST обеспечиваются из латерально-спинной покрышки (LDT). Глутаматергические входы к BNST происходят из нейронов, расположенных в префронтальной коре и регулируют активность ингибирования ГАМК. Активность BNST нейронов регулируется при помощи ГАМК входов, имеющих внутренний источник.
3. Ядра шва (RN). Рецепторы a-i и а2, расположенные в ядрах шва, получают норадреналиновые иннервации, исходящие от голубоватого пятна (LC) и отвечают за регулирование высвобождения нейронов серотонина.
4. Ядра paragigantocellular (PGI) и perirhinal кора (PrH). Эти ядра обеспечивают сильное возбуждающее и тормозящее влияние на нейроны голубоватого пятна (LC), и являются источниками у-аминомасляной и глутаминовой кислоты. При стимуляции PGI сильно возбуждает нейроны LC, в противоположность этому из PrH происходит высвобождении тормозящих нейронов. При переизбытке глутамата, выделяющегося из PGI, происходит внутреннее высвобождение ГАМК, который после проецируется на голубоватое пятно (LC).
5. Латерально - спинное ядро покрышки (LDT). Рецепторы а и а2, расположенные в LDT, получают возбуждающий сигнал, исходящий из голубоватого пятна (LC). В свою очередь, выделяющиеся внутри холинергические нейроны, поступают напрямую в LC, тем самым активируя нейроны норадреналина.
6. Ядро одиночного пути (NTS). Является одним из источников выделения нейронов норадреналина. В основном проецируется в голубоватое пятно, а также в передний мозг, а именно в BNST.
7. Голубоватое пятно (LC). Является основным источником норадреналина. Основными афферентами к LC включают проекции из префронтальной коры (активирует норадренергические нейроны LC через глутамат), латерального гипоталамуса, ядра шва. Кроме того, LC получает нейроны норадреналина из низших медуллярных А1 и А2 регионов, а также проекции от VTA через дофамин на рецепторы D1 и D2, которые активируют высвобождение норадреналина.
Таким образом, мы получили модель норадреналиновой подсистемы, описывающей нейробиологические процессы (Рисунок 6), отвечающие за психоэмоциональные состояния, а именно злость, горе, удивление, интерес. Результаты данного исследования можно использовать в проведении экспериментов на вычислительных машинах с целью диагностики нарушений сна и депрессии, а также способствуют развитию гипотезы Левхейма «Куб эмоций» и валидации на основе одной из осей куба. А это, в свою очередь, позволит создать полноценный искусственный интеллект, который способен принимать решения и испытывать эмоции.
Норадреналин синтезируется из тирозина в качестве прекурсора и упаковывается в синаптические пузырьки. Он выполняет свои действия по освобождению в синаптическую щель, где воздействует на адренорецепторы, сопровождаемый сигналом прекращения путем деградации норадреналина или путем поглощения окружающие клетки.
Норадреналин выделяется из мозгового вещества надпочечников в кровь в виде гормонов. Нейроны, содержащие норадреналин, сконцентрированы в области моста заднего мозга. Основное место залегания - голубоватое пятно, в котором сосредоточена примерно половина (3000) всех норадреналинергических нейронов мозга. Они также представлены в locus subcoeruleus (A5, A6, A7), ретикулярной формации (А1), ядрах солитарного тракта (А2). Аксоны клеток голубоватого ядра направляются в кору больших полушарий, гиппокамп, таламус, гипоталамус, мозжечок и спинной мозг, при этом ипсилатеральные проекции преобладают над контрлатеральными. Терминалы групп А1 и А2 направляются в таламус и миндалину. Большинство симпатических постганглионарных волокон выделяет норадреналин.
Норепинефрин выполняет свои действия на клетки-мишени, связываясь и активируя определенные адренергические рецепторы, а именно альфа и бета - рецепторы. Сначала выявляется подтип рецептора, а затем определяется клеточный эффект, и таким образом норадреналин оказывает различные действия на различные типы клеток.
Норадреналиновая система имеет две подсистемы: дорсальную и ветральную. Дорсальная подсистема проецирует на всем протяжении переднего мозга, включая неокортекс и гиппокамп, а также лимбическую систему, которая участвует в эмоциях. Вентральная подсистема расположена в основном в гипоталамусе и в других висцеральных частях мозга.
Основным источником норадреналина является голубое пятно. Дополнительным источником являются группы клеток А1, А2, расположенные в ядре одиночного пути. Основные компоненты мозга, задействованные в модели:
1. Двигательная кора (Motor cortex). Двигательная кора проецируется на рецепторы норадреналина, расположенных в голубоватом пятне, при помощи глутамата.
2. Слой ядра бороздки на терминале (BNST). Холинергические иннервации в BNST обеспечиваются из латерально-спинной покрышки (LDT). Глутаматергические входы к BNST происходят из нейронов, расположенных в префронтальной коре и регулируют активность ингибирования ГАМК. Активность BNST нейронов регулируется при помощи ГАМК входов, имеющих внутренний источник.
3. Ядра шва (RN). Рецепторы a-i и а2, расположенные в ядрах шва, получают норадреналиновые иннервации, исходящие от голубоватого пятна (LC) и отвечают за регулирование высвобождения нейронов серотонина.
4. Ядра paragigantocellular (PGI) и perirhinal кора (PrH). Эти ядра обеспечивают сильное возбуждающее и тормозящее влияние на нейроны голубоватого пятна (LC), и являются источниками у-аминомасляной и глутаминовой кислоты. При стимуляции PGI сильно возбуждает нейроны LC, в противоположность этому из PrH происходит высвобождении тормозящих нейронов. При переизбытке глутамата, выделяющегося из PGI, происходит внутреннее высвобождение ГАМК, который после проецируется на голубоватое пятно (LC).
5. Латерально - спинное ядро покрышки (LDT). Рецепторы а и а2, расположенные в LDT, получают возбуждающий сигнал, исходящий из голубоватого пятна (LC). В свою очередь, выделяющиеся внутри холинергические нейроны, поступают напрямую в LC, тем самым активируя нейроны норадреналина.
6. Ядро одиночного пути (NTS). Является одним из источников выделения нейронов норадреналина. В основном проецируется в голубоватое пятно, а также в передний мозг, а именно в BNST.
7. Голубоватое пятно (LC). Является основным источником норадреналина. Основными афферентами к LC включают проекции из префронтальной коры (активирует норадренергические нейроны LC через глутамат), латерального гипоталамуса, ядра шва. Кроме того, LC получает нейроны норадреналина из низших медуллярных А1 и А2 регионов, а также проекции от VTA через дофамин на рецепторы D1 и D2, которые активируют высвобождение норадреналина.
Таким образом, мы получили модель норадреналиновой подсистемы, описывающей нейробиологические процессы (Рисунок 6), отвечающие за психоэмоциональные состояния, а именно злость, горе, удивление, интерес. Результаты данного исследования можно использовать в проведении экспериментов на вычислительных машинах с целью диагностики нарушений сна и депрессии, а также способствуют развитию гипотезы Левхейма «Куб эмоций» и валидации на основе одной из осей куба. А это, в свою очередь, позволит создать полноценный искусственный интеллект, который способен принимать решения и испытывать эмоции.
Подобные работы
- ВЫСОКОУРОВНЕВАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ЭМОЦИОНАЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ МОЗГА НА ОСНОВЕ СЕРОТОНИНОВОЙ ПОДСИСТЕМЫ НЕЙРОННОЙ ИМПУЛЬСНОЙ СЕТИ
Дипломные работы, ВКР, информатика. Язык работы: Русский. Цена: 4370 р. Год сдачи: 2016