Теория голономного мозга - Holonomic brain theory

Теория голономного мозга , также известная как голографический мозг , является разделом нейробиологии, изучающим идею о том, что человеческое сознание формируется квантовыми эффектами внутри или между клетками мозга. Этому противостоит традиционная нейробиология, которая исследует поведение мозга, изучая паттерны нейронов и окружающей химии, и предполагает, что какие-либо квантовые эффекты не будут значительными в этом масштабе. Вся область квантового сознания часто критикуется как псевдонаука , как подробно описано в его основной статье.

Эта специфическая теория квантового сознания была разработана нейробиологом Карлом Прибрамом первоначально в сотрудничестве с физиком Дэвидом Бомом на основе первоначальных теорий голограмм, первоначально сформулированных Деннисом Габором . Он описывает человеческое познание , моделируя мозг как голографическую сеть хранения. Прибрам предполагает, что в этих процессах участвуют электрические колебания тонковолокнистых дендритных сетей мозга, которые отличаются от более известных потенциалов действия, связанных с аксонами и синапсами. Эти колебания являются волнами и создают картины интерференции волн, в которых память кодируется естественным образом, а волновая функция может быть проанализирована с помощью преобразования Фурье . Габор, Прибрам и другие отметили сходство между этими мозговыми процессами и хранением информации в голограмме, которая также может быть проанализирована с помощью преобразования Фурье. В голограмме любая часть голограммы достаточного размера содержит всю сохраненную информацию. Согласно этой теории, часть долговременной памяти аналогичным образом распределяется по дендритной ветви, так что каждая часть дендритной сети содержит всю информацию, хранящуюся во всей сети. Эта модель учитывает важные аспекты человеческого сознания, включая быструю ассоциативную память, которая позволяет устанавливать связи между различными частями хранимой информации и нелокальность хранения памяти (конкретная память не хранится в определенном месте, то есть в определенном кластере нейроны).

Истоки и развитие

В 1946 году Деннис Габор математически изобрел голограмму, описав систему, в которой изображение может быть восстановлено с помощью информации, хранящейся в голограмме. Он продемонстрировал, что информационный паттерн трехмерного объекта может быть закодирован в луче света, который является более или менее двумерным. Габор также разработал математическую модель для демонстрации голографической ассоциативной памяти . Один из коллег Габора, Питер Якобус Ван Херден, также разработал связанную голографическую математическую модель памяти в 1963 году. Эта модель содержала ключевой аспект нелокальности, который стал важным спустя годы, когда в 1967 году эксперименты Брайтенберга и Киршфилда показали, что точная локализация памяти в мозгу была ложной.

Карл Прибры работали с психологом Лешл на Лешли в инграмме экспериментах, которые использовали повреждение , чтобы определить точное местонахождение конкретных воспоминаний в приматах мозга. Лэшли сделал небольшие повреждения в мозгу и обнаружил, что они мало влияют на память. С другой стороны, Прибрам удалил большие участки коры головного мозга, что привело к множеству серьезных нарушений памяти и когнитивных функций. Воспоминания не хранились в одном нейроне или точном месте, а были распределены по всей нейронной сети. Лэшли предположил, что паттерны вмешательства в мозг могут играть роль в восприятии, но не был уверен, как такие паттерны могут генерироваться в мозгу или как они могут привести к его функциям.

Несколько лет спустя в статье нейрофизиолога Джона Эклза описывается, как волна может генерироваться на ветвящихся концах пресинаптических аксонов. Множественные из этих волн могут создавать интерференционные картины. Вскоре после этого Эммету Лейту удалось сохранить визуальные образы через интерференционные картины лазерных лучей, вдохновленные предыдущим использованием Габором преобразований Фурье для хранения информации в голограмме. Изучив работы Эклза и Лейта, Прибрам выдвинул гипотезу о том, что память может принимать форму интерференционных паттернов, напоминающих голограммы, созданные лазером. Физик Дэвид Бом представил свои идеи голодвижения и имплицитно-экспликационного порядка . Прибрам узнал о работе Бома в 1975 году и понял, что, поскольку голограмма может хранить информацию в рамках интерференционных паттернов, а затем воссоздавать эту информацию при активации, она может служить сильной метафорой для функции мозга. Прибрам был дополнительно воодушевлен в этой линии предположений тем фактом, что нейрофизиологи Рассел и Карен Де Валуа вместе установили «кодирование пространственной частоты, отображаемое клетками зрительной коры, лучше всего описывается как преобразование Фурье входного паттерна».

Обзор теории

Голограмма и голономия

Схема одной из возможных схем голограммы.

Основной характеристикой голограммы является то, что каждая часть хранимой информации распределена по всей голограмме. Оба процесса хранения и поиска выполняются способом, описываемым уравнениями преобразования Фурье . Пока часть голограммы достаточно велика, чтобы содержать интерференционный узор , эта часть может полностью воссоздать сохраненное изображение, но изображение может иметь нежелательные изменения, называемые шумом .

Аналогия этому - область вещания радиоантенны. В каждом меньшем отдельном месте в пределах всей области можно получить доступ к каждому каналу, подобно тому, как вся информация голограммы содержится внутри части. Другая аналогия голограммы - это то, как солнечный свет освещает объекты в поле зрения наблюдателя. Неважно, насколько узок луч солнечного света. Луч всегда содержит всю информацию об объекте и при сопряжении линзой камеры или глазным яблоком создает такое же полное трехмерное изображение. Формула преобразования Фурье преобразует пространственные формы в пространственные волновые частоты и наоборот, поскольку все объекты, по сути, являются колебательными структурами. Различные типы линз, действующие аналогично оптическим линзам , могут изменять частотный характер передаваемой информации.

Эта нелокальность хранения информации внутри голограммы имеет решающее значение, потому что даже если большинство частей будет повреждено, целое будет содержаться даже в одной оставшейся части достаточного размера. Прибрам и другие отметили сходство между оптической голограммой и памятью в человеческом мозге. Согласно теории голономного мозга, воспоминания хранятся в определенных общих областях, но хранятся нелокально в этих областях. Это позволяет мозгу сохранять функции и память, даже когда он поврежден. Только когда нет частей, достаточно больших, чтобы вместить целое, память теряется. Это также может объяснить, почему некоторые дети сохраняют нормальный интеллект, когда удаляются большие части их мозга, а в некоторых случаях половина. Это также может объяснить, почему память не теряется, когда мозг разрезается на разные поперечные сечения. [5]

Одна голограмма может хранить трехмерную информацию в двухмерном формате. Такие свойства могут объяснить некоторые способности мозга, в том числе способность распознавать объекты под разными углами и размерами, чем в исходной сохраненной памяти.

Прибрам предположил, что нейронные голограммы образованы дифракционными картинами колеблющихся электрических волн в коре головного мозга. Представление происходит как динамическое преобразование в распределенной сети дендритных микропроцессов. Важно отметить разницу между идеей голономного мозга и голографической. Прибрам не предполагает, что мозг функционирует как единая голограмма. Скорее, волны внутри меньших нейронных сетей создают локализованные голограммы в более крупных частях мозга. Эта патч-голография называется голономией или оконными преобразованиями Фурье.

Голографическая модель также может учитывать другие особенности памяти, которые недоступны более традиционным моделям. Модель памяти Хопфилда имеет раннюю точку насыщения памяти, до которой получение памяти резко замедляется и становится ненадежным. С другой стороны, модели голографической памяти имеют гораздо большую теоретическую емкость памяти. Голографические модели могут также демонстрировать ассоциативную память, хранить сложные связи между различными концепциями и напоминать забывание через « хранение с потерями ».

Синаптодендритная паутина

Некоторые из различных типов синапсов

В классической теории мозга суммирование электрических входных сигналов к дендритам и соме (телу клетки) нейрона либо подавляет нейрон, либо возбуждает его, вызывая потенциал действия вниз по аксону, где он синапсируется со следующим нейроном. Однако это не учитывает различные разновидности синапсов, помимо традиционных аксодендритов (от аксона до дендрита). Есть доказательства существования других видов синапсов, включая последовательные синапсы и синапсы между дендритами и сомой, а также между различными дендритами. Многие синаптические участки являются функционально биполярными, что означает, что они могут как отправлять, так и получать импульсы от каждого нейрона, распределяя входные и выходные данные по всей группе дендритов.

Процессы в этой дендритной ветви, сети теледендронов и дендритов, происходят из-за колебаний поляризации в мембране тонковолокнистых дендритов, а не из-за распространяющихся нервных импульсов, связанных с потенциалами действия. Прибрам утверждает, что продолжительность задержки входного сигнала в дендритной ветви до того, как он пройдет по аксону, связана с ментальным осознанием. Чем короче задержка, тем бессознательнее действие, а более длительная задержка указывает на более длительный период осознания. Исследование Дэвида Алкона показало, что после бессознательного Павловского кондиционирования происходило пропорционально большее уменьшение объема дендритных ветвей, сродни синаптическому устранению, когда опыт увеличивает автоматичность действия. Прибрам и другие теоретизируют, что, хотя бессознательное поведение опосредуется импульсами через нервные цепи, сознательное поведение возникает из микропроцессов в дендритной ветви.

В то же время дендритная сеть чрезвычайно сложна, способна принимать от 100000 до 200000 входных данных в одном дереве из-за большого количества ветвлений и множества дендритных шипов, выступающих из ветвей. Более того, синаптическая гиперполяризация и деполяризация остаются в некоторой степени изолированными из-за сопротивления узкой дендритной ножки шипа, позволяя поляризации распространяться без значительного прерывания на другие шипы. Этому распространению дополнительно способствуют внутриклеточные микротрубочки и внеклеточно - глиальные клетки . Эти поляризации действуют как волны в синаптодендритной сети, и существование сразу нескольких волн приводит к интерференционным картинам.

Глубокая и поверхностная структура памяти

Прибрам предполагает, что существует два уровня корковой обработки: поверхностная структура из отдельных и локализованных нейронных цепей и глубокая структура дендритного ветвления, которая связывает поверхностную структуру вместе. Глубокая структура содержит распределенную память, а поверхностная структура действует как механизм поиска. Связывание происходит за счет временной синхронизации осциллирующих поляризаций в синаптодендритной сети. Считалось, что связывание происходило только тогда, когда не было фазового опережения или запаздывания, но исследование Сола и Хамфри показало, что клетки в латеральном коленчатом ядре действительно производят их. Здесь опережение фазы и задержка усиливают сенсорную дискриминацию, выступая в качестве рамки для захвата важных функций. Эти фильтры также похожи на линзы, необходимые для голографического функционирования.

Прибрам отмечает, что голографические запоминающие устройства обладают большой емкостью, параллельной обработкой и адресуемостью контента для быстрого распознавания, ассоциативным хранением для перцептивного завершения и для ассоциативного воспоминания. В системах, наделенных памятью, эти взаимодействия, таким образом, приводят к все большему самоопределению.

Последние исследования

В то время как Прибрам первоначально разработал теорию голономного мозга как аналогию некоторых мозговых процессов, в нескольких статьях (в том числе в некоторых более поздних работах самого Прибрама) предполагалось, что сходство между голограммой и некоторыми функциями мозга не просто метафорическое, но фактически структурное. Другие по-прежнему утверждают, что это только аналогичные отношения. Несколько исследований показали, что те же самые серии операций, которые используются в моделях голографической памяти, выполняются в определенных процессах, касающихся временной памяти и оптомоторных реакций . Это указывает как минимум на возможность существования неврологических структур с определенными голономными свойствами. Другие исследования продемонстрировали возможность того, что излучение биофотонов (биологические электрические сигналы, которые преобразуются в слабые электромагнитные волны в видимом диапазоне) может быть необходимым условием для электрической активности мозга для хранения голографических изображений. Они могут играть роль в клеточной коммуникации и определенных процессах мозга, включая сон, но необходимы дальнейшие исследования, чтобы укрепить существующие. Другие исследования показали корреляцию между более развитой когнитивной функцией и гомеотермией . Принимая во внимание голографические модели мозга, такое регулирование температуры уменьшит искажение сигнальных волн, что является важным условием для голографических систем. Вычислительный подход с точки зрения голографических кодов и обработки.

Критика и альтернативные модели

Голономная модель функции мозга Прибрама не получала широкого внимания в то время, но с тех пор были разработаны другие квантовые модели, включая динамику мозга Джибу и Ясуэ и диссипативную квантовую динамику мозга Витиелло. Хотя они не имеют прямого отношения к голономной модели, они продолжают выходить за рамки подходов, основанных исключительно на классической теории мозга.

Коррелограф

В 1969 году ученые Д. Уилшоу, О. П. Бунеман и Х. Лонге-Хиггинс предложили альтернативную неголографическую модель, которая удовлетворяла многим из тех же требований, что и исходная голографическая модель Габора. Модель Габора не объясняла, как мозг может использовать анализ Фурье для входящих сигналов или как он будет справляться с низким отношением сигнал-шум в реконструированных воспоминаниях. Модель коррелографа Лонге-Хиггина основана на идее, что любая система может выполнять те же функции, что и голограф Фурье, если она может коррелировать пары паттернов. Он использует крошечные отверстия, которые не создают дифракционных картин, для создания реконструкции, аналогичной той, что используется в голографии Фурье. Подобно голограмме, дискретный коррелограф может распознавать смещенные паттерны и хранить информацию параллельным и нелокальным образом, поэтому обычно она не будет разрушена локализованными повреждениями. Затем они расширили модель за пределы коррелографа до ассоциативной сети, где точки стали параллельными линиями, расположенными в сетке. Горизонтальные линии представляют аксоны входных нейронов, а вертикальные линии представляют выходные нейроны. Каждое пересечение представляет собой изменяемый синапс. Хотя он не может распознать смещенные образцы, он имеет большую потенциальную емкость. Это не обязательно должно было показать, как устроен мозг, но вместо этого показать возможность улучшения исходной модели Габора. П. Ван Хеерден опроверг эту модель, математически продемонстрировав, что отношение сигнал-шум голограммы может достигать 50% от идеального. Он также использовал модель с двухмерной нейронной голографической сетью для быстрого поиска, накладываемого на трехмерную сеть на большой объем памяти. Ключевым качеством этой модели было ее гибкость, позволяющая изменять ориентацию и исправлять искажения хранимой информации, что важно для нашей способности распознавать объект как один и тот же объект с разных углов и положений, чего не хватает в моделях коррелографических и ассоциативных сетей.

Смотрите также

использованная литература

Список используемой литературы

  1. Стивен Платек и др., «Смело идти туда, куда не ушел ни один мозг: будущее эволюционной когнитивной нейробиологии», Futures, октябрь 2011 г., том 43, выпуск 8, 771–776.
  2. Дидрик Аэртс и др., «Подход квантового взаимодействия в познании, искусственном интеллекте и роботах», Издательство Брюссельского университета, апрель 2011 г.
  3. Эрвин Ласло, «В защиту интуиции: изучение физических основ спонтанного восприятия», Журнал научных исследований, 2009 г., том 23
  4. Карл Прибрам, Мозг и восприятие: голономия и структура в обработке изображений (Lawrence Erlbaum Associates, 1991), 125–150.
  5. Карл Прибрам, Форма внутри (Prospecta Press, 2013).
  6. Майкл Талбот, Голографическая Вселенная (HarperCollins, 2011).

внешние ссылки