Антология машинного обучения. Важнейшие исследования в области ИИ за последние 60 лет

Джеффри — прапраправнук Джорджа Буля. В 1854 году Буль написал книгу «Исследование законов мышления», которая стала математической основой того, что теперь называется булевой алгеброй, или алгеброй логики (рис. 4.3). Буль — британский учитель-самоучка начала XIX века. У него было пять дочерей, некоторые из них — со способностями к математике. Взгляд Буля на то, как манипулировать логическими выражениями, лежит в основе цифровых вычислений и являлся естественной отправной точкой для молодых исследователей ИИ в 1950-х годах. Джеффри гордился тем, что у него была ручка Буля, которая передавалась в его семье из поколения в поколение.

Рис. 4.3. «Исследование законов мышления» Джорджа Буля. Книга известна изучением логики как основы мыслительной деятельности, но также касается вероятностей. Эти две области математики подтолкнули к использованию обработки символов и нейросетевому подходу к ИИ, соответственно.

Готовясь к докладу, я однажды взял книгу Буля и обнаружил, что полное название — «Исследование законов мышления, на которых основаны математические теории логики и вероятностей» (рис. 4.3). Буль известен своими работами, посвященным логике, а не вероятностям. Теория вероятностей[85] — основа современного машинного обучения, и она может объяснить неопределенности в реальном мире лучше, чем логика, которая описывает идеальный мир. Так что Буль — один из отцов машинного обучения. Ирония в том, что забытая сторона его работы расцвела спустя 250 лет при помощи его праправнука. Буль гордился бы им.

Проект «Шалтай-Болтай»

Когда я был аспирантом в Принстонском университете, мой подход к пониманию мозга состоял в написании уравнений для сетей нелинейно взаимодействующих нейронов и их анализе[86]. Таким же путем физики на протяжении столетий объясняли природу гравитации, света, электричества, магнетизма и ядерных сил. Каждый день, перед тем как лечь спать, я молился богу физики: «Дорогой Бог, пусть уравнения будут линейными, шум — гауссовым, а переменные — разделяющимися». Это условия, которые приводят к аналитическим решениям; но сетевые уравнения были нелинейные, шум — негауссовым, а переменные — неразделяющимися, поэтому не позволяли сделать однозначные выводы. Более того, моделирование на компьютере уравнений для больших сетей в то время было невероятно медленным. Еще более обескураженный, я понятия не имел, были ли у меня правильные уравнения.

Обучаясь в Принстонском университете, я обнаружил, что нейробиологи достигли невероятного прогресса. Нейробиология — сравнительно молодая наука, она была основана 45 лет назад. До этого исследования в области мозга проводились другими науками: биологией, психологией, анатомией, физиологией, фармакологией, неврологией, психиатрией, биоинженерией и многими другими. Во время первой встречи Общества нейробиологии в 1971 году Вернон Маунткасл лично приветствовал каждого у дверей[87]. Сегодня в обществе уже 40 000 членов, из которых 30 000 ежегодно приходят на встречу. Маунткасл был сотрудником Университета Джонса Хопкинса — там мы и встретились, когда я пришел туда на свою первую работу на факультет биофизики в 1982 году[88]. Он был легендарным нейрофизиологом, открывшим кортикальный столбец. Я тесно сотрудничал с ним при создании Института разума и мозга[89], первого в своем роде.

Есть множество разных уровней исследования мозга (рис. 4.4), и важные открытия были сделаны на каждом из них. Интеграция полученных знаний — сложнейшая задача. Она напоминает детский стишок про Шалтая-Болтая:

Шалтай-Болтай
Сидел на стене.
Шалтай-Болтай
Свалился во сне.
Вся королевская конница,
Вся королевская рать
Не может Шалтая,
Не может Болтая,
Шалтая-Болтая,
Болтая-Шалтая,
Шалтая-Болтая собрать![90]

Нейробиологи очень хорошо разбирают мозг по кусочкам, но собрать эти кусочки воедино — серьезная проблема, которая требует не упрощения, а синтеза, чего я и хочу добиться. Но в первую очередь нужно знать, что это за части, ведь в мозге их множество.

На семинаре для выпускников, который проводил Чарльз Гросс, психолог, изучавший в Принстонском университете зрительную систему обезьян, я был впечатлен прогрессом, достигнутым благодаря записи отдельных нейронов в зрительной коре Дэвидом Хьюбелом и Торстеном Визелем из Гарвардской медицинской школы, которые позже, в 1981 году, получили Нобелевскую премию по физиологии или медицине за новаторские исследования первичной зрительной коры. Их открытия, о которых пойдет речь в главе 5, лежат в основе глубокого обучения, что описано в главе 9. Если физика не сумела проложить дорогу к пониманию работы мозга, то, возможно, сумеет нейробиология.