Моделирование ассоциативной коры при анализе визуальных стимулов
|
Определения 3
Введение 5
1 Теоретические аспекты моделирования ассоциативной коры при
анализе визуальных стимулов 10
1.1 Моделирование процессов нейромодуляции 10
1.2 Методы исследования ассоциативной коры головного мозга 13
2 Методы разработки модели ассоциативной коры при анализе
визуальных стимулов 18
2.1 Разработка и описание модели структуры ассоциативной коры при
анализе визуальных стимулов 18
2.2 Разработка и описание вычислительной модели ассоциативной
коры при анализе визуальных стимулов 25
3 Анализ результатов симуляции работы ассоциативной коры при анализе
визуальных стимулов 30
Заключение 31
Список использованных источников 33
Приложения
Введение 5
1 Теоретические аспекты моделирования ассоциативной коры при
анализе визуальных стимулов 10
1.1 Моделирование процессов нейромодуляции 10
1.2 Методы исследования ассоциативной коры головного мозга 13
2 Методы разработки модели ассоциативной коры при анализе
визуальных стимулов 18
2.1 Разработка и описание модели структуры ассоциативной коры при
анализе визуальных стимулов 18
2.2 Разработка и описание вычислительной модели ассоциативной
коры при анализе визуальных стимулов 25
3 Анализ результатов симуляции работы ассоциативной коры при анализе
визуальных стимулов 30
Заключение 31
Список использованных источников 33
Приложения
Одной из самых больших проблем нашего времени является понимание того, как наш мозг функционирует. Действия нескольких миллиардов нейронов в нашем мозге отвечают за способность интерпретировать сенсорную информацию, общаться, принимать решения. Понимание того, как нейронные схемы порождают эти функции, приведет к созданию искусственного интеллекта, а также позволит понять, кто мы есть [15]. В данном исследовании происходит сосредоточение на зрительной системе, а именно на распознавании объекта в зрительной системе.
Актуальность исследования. Актуальность данного исследования определяется необходимостью разработки модели структуры ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов и поиска взаимозависимостей и закономерностей в ее устройстве (как универсальных, так и специфических), порождаемых системными характеристиками ассоциативной коры головного мозга как таковой.
Актуальность данного исследования также определяется значимостью моделирования различных процессов, проходящих в коре головного мозга, что позволит создать понимание принципов функционирования высшей нервной деятельности, а также в дальнейшем наделить искусственный интеллект функциями, присущими человеческому головному мозгу.
Степень изученности проблемы. Анализ научной литературы показывает, что проблема моделирования головного мозга была предметом пристального внимания многих исследователей. На текущий момент ведутся работы над проектом «Проект Человеческий Мозг» («Human Brain Project»). Проект разрабатывается с участием десятков университетов государств Евросоюза, США, Израиля и других стран. Целью данного проекта является создание единой открытой платформы для экспериментов с симуляцией функций человеческого мозга [43].
Также на стадии разработки находится проект «Blue Brain Project», над которым совместно работают компания IBM и Швейцарский Федеральный Технический Институт Лозанны (Ecole Polytechnique Federate de Lausanne - EPFL). Разработчики данного проекта ставят перед собой цель оцифровать мозг вплоть до молекулярного уровня, чтобы изучить все происходящие в нем процессы [37, 52].
В то же время имеющийся материал по проблеме моделирования ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов необходимо подвергнуть осмыслению с точки зрения современных требований к компьютеризации процессов головного мозга.
Таким образом, обнаруживаются противоречия:
1. между необходимостью создания вычислительной системы, близкой по функциям к коре головного мозга, и неразработанностью модели основных процессов, происходящих в коре головного мозга;
2. между имеющимся потенциалом фреймворка для разработки коры головного мозга и отсутствием научно обоснованного алгоритма программирования ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов.
Исходя из вышеизложенного, проблема исследования определена следующим образом: каковы содержание, специфика и особенности взаимосвязей элементов модели ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов.
Таким образом, тема исследования следующая: «Моделирование ассоциативной коры при анализе визуальных стимулов».
Цель исследования: теоретически обосновать, разработать и экспериментально проверить модель ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов.
Объект исследования: процессы, проходящие в ассоциативной коре головного мозга при анализе визуальных стимулов.
Предмет исследования: моделирование ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов.
Гипотеза исследования. Процесс моделирования ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов будет эффективным, если:
1. вычленить существенные признаки и функции ассоциативной коры головного мозга;
2. определить особенности строение визуальной ассоциативной коры головного мозга;
3. проанализировать и использовать возможности фреймворка для разработки в процессе моделирования.
Задачи исследования:
1. исследование ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов;
2. изучение взаимодействия слоев в ассоциативной коре головного мозга;
3. разработка модели структуры ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов;
4. анализ возможностей фреймворка для проведения симуляции работы ассоциативной коры головного мозга;
5. разработка вычислительной модели ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов и ее экспериментальная проверка.
Методологическая основа исследования. Анализом визуальных стимулов и распознаванием объектов в ассоциативной коре головного мозга занимались такие ученые как Семир Зеки (профессор нейробиологии в Университетском колледже, Лондон) [39, 40, 41] и Кейджи Танака (президент Японского Общества Нейронаук) [26, 27, 28, 35].
Компьютерные модели визуального распознавания объектов разрабатывались Габриэлем Крейманом (кандидат наук, доцент кафедры офтальмологии в Гарварде) [15].
Общую теорию моделирования в своем труде «Моделирование как метод научного исследования» описал Глинский Б. А. (специалист по теории познания и методологии науки, доктор философских наук, профессор) [45].
Методы и методики исследования:
• теоретический анализ и обобщение нейробиологической
литературы по проблеме, литературы по моделированию и программированию;
• системно-структурный метод;
• моделирование;
• экспериментальный метод.
Новизна исследования. Установлены взаимосвязи в структуре ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов, разработана ее модель, выявлены возможности NEST (фреймворка для разработки), разработана вычислительная система симуляции работы ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов с помощью симулятора NEST.
Практическая значимость: возможность использования результатов исследования в вычислительном моделировании процессов ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов для создания понимания принципов функционирования высшей нервной деятельности с последующей перспективой создания искусственного интеллекта.
Выпускная квалификационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников и приложений.
Первая глава «Теоретические аспекты моделирования ассоциативной коры при анализе визуальных стимулов» состоит из двух разделов. Первый раздел посвящен определению понятий «модель» и «моделирование», а также рассмотрению проблемы моделирования головного мозга с точки зрения ученых. Второй раздел описывает методы исследования ассоциативной коры головного мозга и их применение в исследовании.
Вторая глава «Методы разработки модели ассоциативной коры при анализе визуальных стимулов» состоит из двух разделов. Первый раздел посвящен разработке и описанию модели структуры ассоциативной коры при анализе визуальных стимулов. Второй раздел посвящен разработке и описанию вычислительной модели ассоциативной коры при анализе визуальных стимулов.
Третья глава содержит результаты исследования ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов и анализ результатов симуляции.
В заключении подводятся итоги проведенного исследования.
Актуальность исследования. Актуальность данного исследования определяется необходимостью разработки модели структуры ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов и поиска взаимозависимостей и закономерностей в ее устройстве (как универсальных, так и специфических), порождаемых системными характеристиками ассоциативной коры головного мозга как таковой.
Актуальность данного исследования также определяется значимостью моделирования различных процессов, проходящих в коре головного мозга, что позволит создать понимание принципов функционирования высшей нервной деятельности, а также в дальнейшем наделить искусственный интеллект функциями, присущими человеческому головному мозгу.
Степень изученности проблемы. Анализ научной литературы показывает, что проблема моделирования головного мозга была предметом пристального внимания многих исследователей. На текущий момент ведутся работы над проектом «Проект Человеческий Мозг» («Human Brain Project»). Проект разрабатывается с участием десятков университетов государств Евросоюза, США, Израиля и других стран. Целью данного проекта является создание единой открытой платформы для экспериментов с симуляцией функций человеческого мозга [43].
Также на стадии разработки находится проект «Blue Brain Project», над которым совместно работают компания IBM и Швейцарский Федеральный Технический Институт Лозанны (Ecole Polytechnique Federate de Lausanne - EPFL). Разработчики данного проекта ставят перед собой цель оцифровать мозг вплоть до молекулярного уровня, чтобы изучить все происходящие в нем процессы [37, 52].
В то же время имеющийся материал по проблеме моделирования ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов необходимо подвергнуть осмыслению с точки зрения современных требований к компьютеризации процессов головного мозга.
Таким образом, обнаруживаются противоречия:
1. между необходимостью создания вычислительной системы, близкой по функциям к коре головного мозга, и неразработанностью модели основных процессов, происходящих в коре головного мозга;
2. между имеющимся потенциалом фреймворка для разработки коры головного мозга и отсутствием научно обоснованного алгоритма программирования ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов.
Исходя из вышеизложенного, проблема исследования определена следующим образом: каковы содержание, специфика и особенности взаимосвязей элементов модели ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов.
Таким образом, тема исследования следующая: «Моделирование ассоциативной коры при анализе визуальных стимулов».
Цель исследования: теоретически обосновать, разработать и экспериментально проверить модель ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов.
Объект исследования: процессы, проходящие в ассоциативной коре головного мозга при анализе визуальных стимулов.
Предмет исследования: моделирование ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов.
Гипотеза исследования. Процесс моделирования ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов будет эффективным, если:
1. вычленить существенные признаки и функции ассоциативной коры головного мозга;
2. определить особенности строение визуальной ассоциативной коры головного мозга;
3. проанализировать и использовать возможности фреймворка для разработки в процессе моделирования.
Задачи исследования:
1. исследование ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов;
2. изучение взаимодействия слоев в ассоциативной коре головного мозга;
3. разработка модели структуры ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов;
4. анализ возможностей фреймворка для проведения симуляции работы ассоциативной коры головного мозга;
5. разработка вычислительной модели ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов и ее экспериментальная проверка.
Методологическая основа исследования. Анализом визуальных стимулов и распознаванием объектов в ассоциативной коре головного мозга занимались такие ученые как Семир Зеки (профессор нейробиологии в Университетском колледже, Лондон) [39, 40, 41] и Кейджи Танака (президент Японского Общества Нейронаук) [26, 27, 28, 35].
Компьютерные модели визуального распознавания объектов разрабатывались Габриэлем Крейманом (кандидат наук, доцент кафедры офтальмологии в Гарварде) [15].
Общую теорию моделирования в своем труде «Моделирование как метод научного исследования» описал Глинский Б. А. (специалист по теории познания и методологии науки, доктор философских наук, профессор) [45].
Методы и методики исследования:
• теоретический анализ и обобщение нейробиологической
литературы по проблеме, литературы по моделированию и программированию;
• системно-структурный метод;
• моделирование;
• экспериментальный метод.
Новизна исследования. Установлены взаимосвязи в структуре ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов, разработана ее модель, выявлены возможности NEST (фреймворка для разработки), разработана вычислительная система симуляции работы ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов с помощью симулятора NEST.
Практическая значимость: возможность использования результатов исследования в вычислительном моделировании процессов ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов для создания понимания принципов функционирования высшей нервной деятельности с последующей перспективой создания искусственного интеллекта.
Выпускная квалификационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников и приложений.
Первая глава «Теоретические аспекты моделирования ассоциативной коры при анализе визуальных стимулов» состоит из двух разделов. Первый раздел посвящен определению понятий «модель» и «моделирование», а также рассмотрению проблемы моделирования головного мозга с точки зрения ученых. Второй раздел описывает методы исследования ассоциативной коры головного мозга и их применение в исследовании.
Вторая глава «Методы разработки модели ассоциативной коры при анализе визуальных стимулов» состоит из двух разделов. Первый раздел посвящен разработке и описанию модели структуры ассоциативной коры при анализе визуальных стимулов. Второй раздел посвящен разработке и описанию вычислительной модели ассоциативной коры при анализе визуальных стимулов.
Третья глава содержит результаты исследования ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов и анализ результатов симуляции.
В заключении подводятся итоги проведенного исследования.
В данной работе была исследована зрительная ассоциативная кора. Это позволило углубиться в предметную область и создать общее представление о зрительной ассоциативной коре и ее взаимодействии с другими системами головного мозга для дальнейшего процесса моделирования.
В ходе исследования были изучены слои зрительной ассоциативной коры, нейромедиаторы, передающие сигнал от слоя к слою, а также взаимодействие слоев в процессе распознавания визуального объекта.
С помощью анализа научной литературы была построена модель структуры ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов.
На основе модели структуры ассоциативной коры была построена вычислительная модель ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов. Данная модель симулирует работу зрительной ассоциативной коры при распознавании визуального объекта. Результатом вычислительной модели является гистограмма, которая демонстрирует спайковую активность нейронов.
Таким образом, поставленные задачи решены, цели исследования достигнуты.
В ходе исследования был выявлен существенный недостаток нейробиологических данных, необходимых для биологической правдоподобности.
Также для достижения биологической правдоподобности не хватает функционала симулятора NEST, так как на данный момент он не позволяет создавать динамические структуры коры головного мозга.
Результаты данного исследования позволили создать понимание функционирования зрительной ассоциативной коры. Следует отметить, что повышения качества результатов можно добиться с помощью дополнения вычислительной системы новыми достоверными нейробиологическими данными.
В качестве направления дальнейшей работы можно рассматривать интеграцию с другими смежными со зрительной ассоциативной корой системами, продемонстрированными в общей схеме (приложение 2), для создания наиболее полной картины протекающих процессов и ее симуляции.
В ходе исследования были изучены слои зрительной ассоциативной коры, нейромедиаторы, передающие сигнал от слоя к слою, а также взаимодействие слоев в процессе распознавания визуального объекта.
С помощью анализа научной литературы была построена модель структуры ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов.
На основе модели структуры ассоциативной коры была построена вычислительная модель ассоциативной коры головного мозга при анализе визуальных стимулов. Данная модель симулирует работу зрительной ассоциативной коры при распознавании визуального объекта. Результатом вычислительной модели является гистограмма, которая демонстрирует спайковую активность нейронов.
Таким образом, поставленные задачи решены, цели исследования достигнуты.
В ходе исследования был выявлен существенный недостаток нейробиологических данных, необходимых для биологической правдоподобности.
Также для достижения биологической правдоподобности не хватает функционала симулятора NEST, так как на данный момент он не позволяет создавать динамические структуры коры головного мозга.
Результаты данного исследования позволили создать понимание функционирования зрительной ассоциативной коры. Следует отметить, что повышения качества результатов можно добиться с помощью дополнения вычислительной системы новыми достоверными нейробиологическими данными.
В качестве направления дальнейшей работы можно рассматривать интеграцию с другими смежными со зрительной ассоциативной корой системами, продемонстрированными в общей схеме (приложение 2), для создания наиболее полной картины протекающих процессов и ее симуляции.
Подобные работы
- Топологический анализ модели кортикальной колонки при масштабировании до визуальной коры V1
Дипломные работы, ВКР, информатика. Язык работы: Русский. Цена: 4245 р. Год сдачи: 2016 - Моделирование анализа визуальных стимулов в кортикальной колонке
Дипломные работы, ВКР, информатика. Язык работы: Русский. Цена: 4210 р. Год сдачи: 2016 - Ассоциативно-вербальное поле «Женщина» в русской лингвокультуре на фоне корейской
Бакалаврская работа, лингвистика. Язык работы: Русский. Цена: 4370 р. Год сдачи: 2021