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 не классической механикой, а 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 конкретная теория квантового сознания была разработана нейробиологом Карлом Прибрамом первоначально в сотрудничестве с физиком Дэвидом Бомом , опираясь на первоначальные теории Голограммы , первоначально сформулированные Деннисом Габором . Он описывает человеческое познание путем моделирования мозга как голографической сети хранения. Прибрам предполагает, что эти процессы включают электрические колебания в тонковолокнистых дендритных сетях мозга, которые отличаются от более известных потенциалов действия, связанных с аксонами и синапсами. Эти колебания являются волнами и создают шаблоны 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 фрагментами хранимой информации и нелокальностью хранилища памяти (конкретная память - это не хранится в определенном месте, то есть в определенном кластере нейронов).

Содержание

1 Происхождение и развитие

2 Обзор теории

2.1 Голограмма и голономия

2.2 Синаптодендритная сеть

2.3 Глубокая и поверхностная структура памяти

3 Недавние исследования

4 Критика и альтернативные модели

4.1 Коррелограф

5 Приложения

6 См. Также

7 Ссылки

7.1 Библиография

8 Внешние ссылки

Истоки и развитие

В 1946 году Деннис Габор математически изобрел голограмму, описав систему, в которой изображение может быть восстановлено с помощью информации, хранящейся на всей 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 Хеерден, 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 оба эксперимента Брайтенберг и Киршфилд показали, что точная локализация памяти в головном мозге была ложной.

Карл Прибрам работал с психологом Карлом Лэшли над экспериментами Лэшли с энграммой , в которых использовались поражения чтобы определить точное местонахождение конкретных воспоминаний в мозгу приматов. 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 мозга могут играть роль в восприятии, но не был уверен, как такие паттерны могут возникать в мозгу или как они могут привести к его функциям.

Несколько лет спустя статья нейрофизиолога Джон Экклс описал, как волна может генерироваться на концах ветвления пресинаптических аксонов. Несколько таких 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 узоров, напоминающих голограммы, созданные лазером. Физик Дэвид Бом представил свои идеи голодвижения и импликации и объяснения 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, что «кодирование пространственной частоты, отображаемое клетками зрительной коры, лучше всего описывается как преобразование Фурье входного паттерна. "

Обзор теории

Голограмма и голономия

Схема одного из возможных вариантов голограммы.

Основной характеристикой голограммы является то, что каждая часть хранимая информация распределяется 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. Другой аналог 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 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 при его повреждении. 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 разрезают на различные поперечные сечения.

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

Прибрам предположил, что нейронные голограммы были сформированы дифракционными картинами колеблющихся электрических волн в коре головного мозга. 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 оконным преобразованием Фурье.

Голографическая модель может также учитывать другие особенности памяти, которые недоступны более традиционным моделям. Модель памяти Хопфилда имеет раннюю точку насыщения памяти, до которой поиск в 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 сеть

Несколько различных типов синапсов

В классическом мозге теория: суммирование электрических входов в дендриты и сома (тело клетки) нейрона либо подавляет нейрон, либо возбуждает его, вызывая потенциал действия вниз аксон туда, где он синапс со следующим нейроном. Однако это не учитывает различные разновидности синапсов, помимо традиционных аксодендритов (от аксона до дендрита). Есть свидетельства существования других видов синапсов, включая последовательные синапсы, а также синапсы между дендритами и сомой, а также между различными дендритами. Многие синаптические участки являются функционально биполярными, что означает, что они могут как посылать, 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 вниз по аксону, связана с умственной осведомленностью. 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 предполагают, что, в то время как бессознательное поведение опосредуется импульсами через нервные цепи, сознательное поведение возникает из микропроцессов в дендритной ветви.

В то же время дендритная сеть чрезвычайно сложна и способна принимать от 100 000 до 200 000 входов в одном дереве из-за большого количества ветвлений и множества дендритных шипов, выступающих из ветвей. Кроме 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 порождает интерференционные картины.

Глубокая и поверхностная структура памяти

Прибрам предполагает, что существует два слоя корковая обработка: поверхностная структура разделенных 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 колеблющихся поляризаций в синаптодендритной сети. Считалось, что связывание происходит только при отсутствии опережения фазы или отставания, но исследование Сола и Хамфри показало, что клетки в латеральном коленчатом ядре действительно производят их. Здесь опережение фазы и запаздывание 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, ассоциативного хранения для перцептивного завершения и для ассоциативного вспоминания.

Недавние исследования

В то время как Прибрам Первоначально теория голономного мозга была разработана как аналогия для определенных процессов в мозге, в нескольких статьях (в том числе и в более поздних, написанных самим Прибрамом) было высказано предположение, что сходство между голограммой и определенными 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 биофотона (биологические электрические сигналы, которые преобразуются в слабые электромагнитные волны в видимом диапазоне) может быть необходимым условием для электрической активности в мозгу 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 могло бы уменьшить искажение сигнальных волн, что является важным условием для голографических систем.

Критика и альтернативные модели

Голономная модель функции мозга Прибрама не получила подтверждения. В то время внимание было широко распространено, но с тех пор были разработаны и 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 20 предложил 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 узоры и хранить информацию параллельным и нелокальным образом, поэтому обычно она не будет разрушена локализованным повреждением. 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 шаблоны, 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 моделям коррелографических и ассоциативных сетей.

Приложения

Голографические модели памяти и сознания могут быть связаны с несколькими нарушениями мозга, включающими разъединение сенсорных

Источник: vk.com

Комментарии: