Фрактальные структуры и квантовые процессы в основе памяти, мышления и сознания

Рассматривая структуры и функции венца эволюции живых систем – человека, ещё на этапе школьного образования до учеников доносят простые и понятные вещи. Каждый орган отвечает за свой уникальный набор функций. Сердце качает кровь, лёгкие насыщают эту кровь кислородом и выводят углекислый газ, почки избавляют организм от шлаков и т.д. Уже при углублённом изучении в медицинских ВУЗах студенты узнают, что, к примеру, функции почек не ограничиваются выделением мочи, почки также играют роль в регуляции артериального давления, а не так давно в них (как впрочем в лёгких, печени, коже и даже в волосяных фолликулах) были обнаружены обонятельные рецепторы.

Органом, осуществляющим регуляцию всех систем живого организма безусловно считается мозг. У млекопитающих он отвечает за сложные поведенческие функции, принятие решений, способствующих адаптации к изменениям окружающей среды и выживаемости. У человека мозг является субстратом мышления, он реализует сложные функции по анализу информации, планированию и решению задач. Современная наука сконцентрировалась на изучении нейронных сетей и достигла в этом направлении значительного прогресса. Удалось создать искусственные нейронные сети, позволяющие решать самые различные задачи, и человечество уже близко к сотворению полноценного искусственного интеллекта. Однако в процессе научно-исследовательского поиска была упущена небольшая деталь – не только организмы, имеющие центральную нервную систему обладают памятью и способны к решению задач, в том числе и логических. У растений вообще отсутствует нервная система в привычном для нас понимании, тем не менее они учитывают предшествующий опыт, обмениваются информацией и способны даже к обучению, управлению своими движениями и поведением. К настоящему времени объём накопленных данных, как бы это удивительно не звучало, позволяет констатировать, что высшие растения являются поведенчески активными организмами, наслаждающимися биокоммуникацией и демонстрирующими специфичное для них познание и интеллект.

Растения относятся к многоклеточным организмам и в принципе имеют структуры – множество своих клеток, которые могут взять на себя функции хранения и обработки информации. Но, оказывается, этими способностями обладают и одноклеточные организмы.

Бактериальные клетки пользуются сенсорными системами, питающими когнитивно-поведенческие контуры и демонстрирующими множество других нейронных особенностей. Электрическая передача сигналов на большие расстояния и обмен информацией через пространственно-распространяющиеся волны калия синхронизируют бактериальные биоплёнки. Интегрированные бактерии в сообществе биоплёнок, по-видимому, действуют как своего рода «микробный мозг». И вполне возможно, что нейронная коммуникация эволюционно имеет бактериальное происхождение.

Биоплёнки – образованные конгломераты клеток анализируют информацию и принимают решения о распределении питательных веществ и метаболизме как единое целое, используя ионные каналы и осуществляя своего рода объёмную передачу, как это происходит в мозге. Однако, оказалось, что и объединения клеток не требуется для реализации сложных функций, выполнение которых считалось исключительно прерогативой многоклеточного мозга. Инфузории (простейшие) демонстрируют обучение и форму памяти, и это сохраняется даже после потери ядер и некоторой части цитоплазмы клеток. Physarum polycephalum, слизевик, одноклеточный организм демонстрирует блестящие решения логических задач: поиск оптимального пути к ресурсам в лабиринте или воспроизведение кратчайших расстояний на трёхмерной карте.

Сегодня следует принять факт, что центральная нервная система с её нейронами не обладает монополией на функции памяти, анализа информации, принятия решений и планирования поведения. Нейроны лишь оптимизировали клеточные режимы сигнализации, которые существовали задолго до появления центральной нервной системы в ходе эволюции, и использовались соматическими клеточными сетями для создания морфологии, организации физиологии, эмбрионального развития и поведения. Многие из ключевых динамических процессов, которые обеспечивают обработку информации, на самом деле могут быть реализованы различной биологической инженерией, в том числе и на клеточном и субклеточном уровнях. Необходимым условием является лишь одновременно лабильная и стабильная среда, способная обеспечивать необходимую задержку информационного сигнала.

Доказательства этих фактов были получены, в частности, на растениях, ненейронных соматических тканях и даже в неорганических средах, но, к сожалению, они не получили в полной мере должной оценки и были даже забыты, благодаря недавним замечательным достижениям в когнитивных нейронауках с их фокусом на головном мозге.

Нейроны не производят познание из-за какого-либо своего магического и уникального свойства. Их вычислительные мощности вытекают из динамики сетей связанных элементов, которые распространяют и интегрируют сигналы и способности изменять связность между этими элементами на основе предыдущей активности. Фактически, эти основные свойства присутствуют в биологических системах во многих масштабах сложности (от субклеточных белковых сетей до связанных тканей). Могут ли они также лежать в основе некоторых аспектов обработки информации, подобной когнитивной? Действительно, нейроны не изобретали свои особые методы – они просто оптимизировали их для увеличения скорости, чтобы управлять адаптивным поведением. Эти функции и молекулярные механизмы, которые их реализуют – ионные каналы, электрические синапсы (щелевые контакты) и молекулы нейротрансмиттеров – всё это реализация более эволюционно древних механизмов. Нейронные сети произошли от гораздо более старых сигнальных путей, которые организовывали развитие, физиологию и другие клеточные функции задолго до того, как ЦНС появилась на эволюционной сцене.

Одним из лучших кандидатов на роль механизмов, лежащих в основе обработки информации на уровне отдельной клетки, является цитоскелет, обладающий всеми необходимыми для этого свойствами. Цитоскелет – это большая и сложная структура, которая легко модифицируется различными молекулярными путями (запись данных), интерпретируется многочисленными белками и другими механизмами (считывание информации) и реализует богатый набор дискретных переходных состояний, которые могут обеспечивать вычислительные операции. По-видимому, именно цитоскелет служит местом хранения и контроля информации в одноклеточных организмах, регулируя поведение и обеспечивая негеномное хранилище постоянных соматических изменений. В частности, динамический актиновый цитоскелет проявляет свойства возбудимой среды.

Другим кандидатом в среды для обработки информации в химических сетях может быть динамика реакции-диффузии, лежащая в основе формирования паттернов в эмбриогенезе. Недавние исследования показали, что эти системы и другие подобные возбудимые химические среды могут быть спроектированы для выполнения определённых вычислений и использоваться для конструирования минимальных контроллёров познания и иных видов вычислений, включая планирование. Недавние работы, использованные в silico эволюции химических сетей, показывают, что можно найти простые, правдоподобные реакции, которые выполняют ассоциативное обучение. Эти данные особенно интересны, поскольку они предполагают, что ассоциативное обучение может легко развиваться в метаболических, генно-регуляторных или внутриклеточных сигнальных сетях.

Учитывая новые факты о белковых, цитоскелетных, транскрипционных и биоэлектрических сетях, кажется, что многие различные среды в различных масштабах обладают способностью формировать и перестраивать связи, зависящие от опыта. Появление памяти и вычислений на многих уровнях биологической организации предполагает фрактальную организацию когнитивных подсистем внутри систем – молекулярных, клеточных, тканевых и органных.

Фракталы (лат. fractus – раздробленный) – это структуры, обладающие самоподобием – совпадающие со своей частью на любом уровне масштабирования. Они не относятся ни к двух-, ни к трёхмерным объектам, их размерность имеет дробное, промежуточное значение. Фракталы повторяются бесконечно на любом уровне их рассмотрения, демонстрируя структуру, имеющую конечную площадь, но бесконечный периметр. Поскольку сложная структура фракталов, возникающая из простых повторяющихся шаблонов, бесконечно воспроизводится на различных уровнях, именно эти объекты могли бы стоять за поддержанием таинственных глубин нашего разума.

Мозг состоящий из клеток – нейронов в процессе их совместной деятельности порождает сознание. При этом каждый из нейронов содержит микротрубочки, ответственные за транспортировку веществ в различные части клетки. Физик Роджер Пенроуз и анестезиолог Стюарт Хамерофф предложили весьма амбициозную гипотезу работы мозга, названную ими «квантовое сознание». Согласно их воззрениям, микротрубочки структурированы во фрактальном узоре, который позволяет протекать квантовым процессам. В свою очередь миелиновая оболочка аксонов может служить подходящей цилиндрической полостью для усиления свойств фотонов.

С точки зрения Пенроуза и Хамероффа мозг действует как квантовый компьютер. И сегодня это не выглядит чем-то фантастическим, ведь уже было установлено, что в основе навигации перелётных птиц лежат квантовые механизмы. В экспериментах было выявлено, что квантовые фракталы на самом деле ведут себя иначе, чем классические – распространение света через фрактал регулируется другими законами в квантовом случае по сравнению с классическим. Наблюдался аномальный транспорт, который был управляем исключительно фрактальной размерностью – основной характеристикой фрактальных объектов. Более того, учёными было установлено, что критическая точка, в которой происходит переход от нормального к аномальному транспорту, зависит от фрактальной геометрии.

Источник: dzen.ru

Комментарии: