Fejletlen élőlények ideghálójának és evolúciójának modellezése számítógépen

Rák Ádám kutató diák beszámolója kutatási eredményeiről

Bevezető gondolatok

A mesterséges intelligencia terén végeztem kutatásaimat. Ezen belül is idegháló szimulációt végeztem. Ez azt jelenti, hogy viselkedésben minél hasonlóbb ideghálókat igyekeztem építeni a természetes idegrendszerekhez a számítógépen. Az egymásra épülő programok sorozatát nagymértékben leegyszerűsíti a genetikus algoritmus, aminek a működését később még ismertetem.¹

A mesterséges intelligencia napjainkban egyre nagyobb szerephez jut. Szakértőrendszerek, gyártósorok, számítógépes stratégiai játékok, automatizált integrált áramkörtervezés, számítógépes helyesírás-ellenőrző, mars-kutató robotok, katonai felderítő és felismerő berendezések és még az internetes keresők is tartalmazzák. A 20. század közepén indult be a kutatás e téren és a 21. század elejére már meghatározó szerephez jutott a műszaki és gazdasági élet minden területén.

Már négy éve folytatom a kutatásaimat ebben a tudományágban. Ezért már nagyon sok eredményem összegyűlt, amiből az idő hiányában csak a legfontosabbakat tudom most közölni az előadásomban.

Az idegháló

Egy idegháló idegsejtekből és kapcsolatokból áll. Az idegháló működőképessége a kapcsolatok súlyától függ. Ez a súly a szimuláció során egy szorzó, amivel szorozva az átmenő ingerület amplitúdója megváltozik. Ez a súly a biológiában a szinapszis. Ilyen módon az inger erőssége egy kapcsolaton való áthaladás során erősödhet és gyengülhet. Minden kapcsolat paraméterei különbözők, de az idegsejtek működésüket tekintve megegyeznek.

Az idegsejt, első lépésben a bejövő ingereket összegzi. Lehetséges, hogy egy súly negatív, azaz ebből az összegből vonódik ki a módosított inger erőssége, az ilyen kapcsolatokat kék színnel jelöltem. Ez az összeadott inger hoz létre töltéskülönbséget a sejten kívül és belül. Ha ez a töltéskülönbség elég nagy, akkor az idegsejt kisül, vagyis impulzust ad a kimenetein, mindegyiken ugyanakkorát, és elveszíti a saját töltését. Ilyen idegsejtek és kapcsolatok rendszere az idegháló, amelynek vannak ki- és bemenetei. A kimeneteket és bemeneteket a szimuláció során be lehet állítani, oly módon, hogy kijelölöm, mely idegsejteknek a kimenete legyen az ideghálónak a kimenete, és melyekhez legyenek hozzákötve a bemenetek.

A felhasznált idegsejtmodell sajátosságai

Az általánosan használt idegsejt-modellekben az átviteli függvény időtől való függést nem tartalmaz. A bemenet (gerjesztés) és a kimenet (aktivizálódás) közötti kapcsolat viszont nem lineáris. Az általam használt modell azonban közelebb áll a természeteshez, mivel ebben szerepel az időtől való nem lineáris függés is. (Például így egy kétváltozós függvény írja le.)

A kísérleteim megmutatták, hogy csak ezzel az idegsejt-modellel működik megfelelően az általam tervezett dinamikus idegháló. Ennek oka természetesen az idegsejtek működésének időtől való függése. Ez gyakorlatilag azt jelenti, hogy minden idegsejt egy nagyon rövid távú memória is egyben (van rövid feldolgozási idő és van rövid kisülési idő is). Ezért a rövidtávú memóriát igénylő egyszerű idegműködések nagyon könnyen, pár idegsejt felhasználásával megvalósíthatók.

A bogarak világa

Ezeket az ideghálókat bogaraknak neveztem el, mivel a programban nemcsak az ideghálót szimulálom, hanem ezek a bogarak egy egyszerű virtuális világban is élnek. Itt képesek mozogni előre² és fordulni balra, vagy jobbra. Az idegháló kimenetének erősségétől függ az, hogy mekkora szöget fordul, vagy milyen gyorsan megy előre.

Ez a világ csak kétdimenziós, a bogarak pontszerűek és egy mozgásukat akadályozó fal is található a világukban. Ennek megfelelően az étel is csak pontszerű, de az ábrákon fekete X-szel jelöltem a láthatóság kedvéért. Ebben a síkban elhelyezkedik egy fal, ami szintén látható az ábrákon. Ezen a falon csak a bogarak egy része mehet át. Amelyik megakad, az érzékeli ezt az ideghálójának a bemenetein.

A bogarak életjelenségeinek egyik fajtája a mozgáson kívül a táplálkozás. Egyszerre egy étel helyezkedik el a síkon, amit, ha elfogyaszt valamelyik bogár, akkor megjelenik véletlenszerűen egy új helyen a táplálék. A bogarak az étel vagy másik bogár szagát³ két szimulált csáp segítségével érzékelik, ezek a csápok a kétdimenziós térben nem foglalnak helyet, tehát nem akadályozzák a bogarat a mozgásban. Amelyik csápon erősebb szagot éreznek, abban az irányban van az étel, és abba az irányba mozdulnak el. A szimulált szag erőssége a csáp és az étel, vagy másik bogár távolságának reciprokával arányos. Minden bogár érzi az összes többit és az ételt is, de az ideghálónak különböző bemenetein érzékelik a különböző dolgokat. Ezen felül még képessé tettem a bogarakat az egymás közti kommunikációra, ami azt jelenti, ha elég közel kerülnek egymáshoz a síkon, akkor az ideghálójuknak pár kimenete és bemenete közvetlenül ingerli egymást.