الدماغ. ذاكرة ثلاثية الأبعاد. بيولوجيا الحوسبة الكمومية

يقولون أنه لطرح سؤال بشكل صحيح تحتاج إلى معرفة معظم الإجابة. السؤال الرئيسي الذي يطرح عادة عن الدماغ هو كيف يعمل وما هي مبادئ عمله؟ السؤال جيد وصحيح تماما. ولكن لنفترض أننا تمكنا من معرفة "معظم الإجابات". لنفترض أن نظرية قد نشأت بشكل حصري يصف أداء الدماغ. ما السؤال الذي سيكون الآن "صحيحًا"؟

أقوم بتطوير نموذج أسميه موجة النمط. يبدو لي أنه في النهاية ، كان من الممكن أن نفهم تمامًا كيف يعمل الدماغ مع ذلك. بالطبع ، هذا اعتقادي الشخصي ، وبالتأكيد متحيز ومتحيز. ولكن الآن ليس حول ذلك. قبل أيام قليلة تحدثت عن نموذج الموجة النموذجية في ندوة بمعهد بافلوف لعلم وظائف الأعضاء. أقترح مشاهدة تسجيل هذا الخطاب في نهاية هذا المنشور. يحتوي العرض التقديمي على الكثير من المواد الجديدة مقارنةً بالمواد السابقة التي عرضتها على كل من حبر وجكتيم ، وقد يكون هذا مثيرًا للاهتمام لأولئك الذين يتتبعون تقدم البحث. ولكن من المحتمل أن يكون من المثير للاهتمام مشاهدة العرض التقديمي بدءًا من النهاية ، أي معرفة الإجابة عن هذا "السؤال الصحيح".

دعني أذكرك بأن نموذج الموجة النموذجية هو محاولة لشرح كيفية عمل الدماغ ليس فقط من خلال وصف خوارزميات معينة ، ولكن أيضًا من خلال إظهار كيفية تنفيذها بيولوجيًا. من ناحية ، هذا يعقد المهمة إلى حد كبير ، لأنه يحد بشكل كبير من رحلة الخيال. ولكن من ناحية أخرى ، من خلال الفسيولوجيا العصبية يعطي كمية كبيرة من القرائن فيما يتعلق بالبنية الحقيقية للدماغ ، والتي لا تزال بحاجة إلى تفسيرها بشكل صحيح. لذلك ، اتضح أن ليس فقط الكثير ، ولكن جميع المبادئ الأساسية التي تميز الدماغ (وفقًا للنموذج المقترح) تشبه بشكل مدهش القوانين والمبادئ التي يطيعها العالم المادي المحيط بنا. في الغالب تم تحقيق جميع الأفكار التي تشكل ميكانيكا الكم في الدماغ.
ستكون قصة النموذج نفسه في الخطاب ، والآن سأذكر بإيجاز الصدف الرئيسية:

• تنتشر المعلومات عبر مساحة الدماغ في موجات نشاط الخلايا العصبية. الموجة في الوقت نفسه ليست مجرد اضطراب ينتقل أكثر ، ولكن انتشار نمط معين من النشاط ، فردي لكل مفهوم مرسل. يمكن تخيل ذلك بسهولة. تذكر الموجة الجارية على منصة الاستاد. ينهض الجميع عندما تصلهم جبهة الموجة ويجلسون بعد ثانية ، أخرى. هذه مجرد موجة. تخيل الآن أنه يجب عليك الوقوف فقط إذا كان بعض الجيران قد وقفوا بالفعل بالقرب منك (على سبيل المثال ، ثلاثة أشخاص محددين من أصل عشرين جالسين بالقرب). وافترض أن لديك قائمة تركيبات يجب عليك الرد عليها. لنفترض أن كل شخص في الملعب لديه قائمة خاصة به. بعد ذلك ، لن يتم تشغيل موجة صلبة فحسب ، ولكن نمطًا يتكون من أولئك الذين وقفوا ، مع الاعتراف بمزيج من قائمتهم.إذا نظرت إلى هذا التصميم من مسافة كبيرة ، فسوف نرى مجرد موجة جارية. ولكن إذا نظرت إلى كل مكان محدد ، فسترى نمطًا من أشخاص معينين قاموا.

يطبق هذا المخطط على الفور ثلاثة مبادئ فيزيائية أساسية:

1. ازدواجية موجة - جسيم. الجسيمات المادية هي كل من الجسيمات والموجات. اعتمادًا على الظروف ، يمكنهم عرض كل من هذه الخصائص. موجة المعلومات هي موجة إذا نظرت إلى توزيعها ، ولكن في كل مكان محدد تمر فيه ، يكون نمطًا معينًا (نمطًا) فريدًا.
2. مبدأ Huygens-Fresnel . يمكن اعتبار كل مكان في الفضاء حيث وصلت جبهة الموجة كمصدر نقطة لموجة جديدة. تسمح لنا إضافة الموجات من جميع المصادر بوصف كيف سيبدو نمط التوزيع النهائي. في موجة المعلومات ، يكون كل نمط مصدرًا لإشعاع الموجة (إنه يجبر الجيران الذين لم يرتفعوا بعد لمواصلة نمط معين).
3. . , . , . , , . , . , , . , , , , .

• لا يتم نقل المعلومات داخل منطقة واحدة من القشرة (لا تخلط مع الإسقاطات بين المناطق) من مكان إلى آخر ، ولكن من جبهة موجية تتباعد من المصدر ، والتي تحمل المعلومات في جميع أنحاء المنطقة. أي مكان في الدماغ يمكن أن يؤدي إلى موجات المعلومات ، لذلك يكفي إعادة إنتاج نمط نشاط في هذا المكان مشابه لما يحدث فيه عندما تمر الموجة المقابلة. وهذا مشابه للكيفية التي تحمل بها الموجات الكهرومغناطيسية في العالم المادي معلومات لا تستهدفها ، ولكن في جميع أنحاء الفضاء. أي مكان في الفضاء يمكن أن يأخذ أي موجة. يمكنك تشغيله من أي مكان. تبث المحطات الإذاعية على الهواء بحيث يمكن لأي مالك للراديو استقبال بثها.

• يتم التفاعل الكيميائي بين الخلايا العصبية عن طريق إصدار أجزاء من المواد من فقاعات خاصة - الناقلات العصبية. هناك حد أدنى من الكم لمثل هذا التفاعل - هذا هو انبعاث فقاعة واحدة مع الجزيئات. تحتوي الفقاعات (الحويصلات) على عدد ثابت من الجزيئات ، يتم الحفاظ عليها بدقة شديدة. داخل الفقاعة ليس هناك ناقل عصبي واحد ، بل مزيج من الناقلات العصبية وأجهزة التحكم العصبية. يسمح لك هذا الكوكتيل بتمييز إشارات أحد الخلايا العصبية عن إشارات أخرى وإنشاء آلية بسيطة ، من خلال وجود مجموعة معينة من الناقلات العصبية ، تسمح لك بفهم أن جميع الخلايا العصبية الضرورية قد نجحت.
في العالم المادي ، هناك حد أدنى من التفاعل - الكم. في ميكانيكا الكم ، يجب أن تأخذ الكميات قيمًا منفصلة ، أي تحديد الكمية. فيفي النموذج القياسي ، تتكون كل المادة من 12 مجالًا كميًا أساسيًا للدوران ½ ، وكمية هذه الحقول هي جسيمات فرميون أساسية. جميع الجزيئات الأخرى وناقلات التفاعل هي تركيبات معينة من الفرميونات.

• يعمل الدماغ بمفاهيم ليس لها معنى واضح. على سبيل المثال ، أي كلمة في لغة طبيعية لها العديد من التفسيرات ، اعتمادًا على السياق. يحتوي كل مفهوم على مجموعة من القيم المقبولة. إذا تم وصف المعلومات من خلال مجموعة من المفاهيم ، فإن التفسيرات المحتملة هي تراكب لجميع القيم الممكنة لكل مفهوم مدرج في الوصف. إن اختيار المعنى هو اختيار لكل مفهوم مدرج في وصف تفسير معين ، بينما يلتقط كل مفهوم قيمة معينة من طيف محتمل لذلك. وبالمثل ، قد لا يكون الجسيم المادي في حالات اعتباطية ، ولكن فقط في الحالات المسموح بها ، والتي تشكل طيف الحالات المسموح بها. يحتوي النظام الكمي للعديد من الجسيمات على مجموعة من الحالات المسموح بها ، وهي تراكب للحالات المسموح بها للجسيمات المكونة له.في وقت القياس ، يختار النظام الكمي إحدى الحالات المسموح بها ، مع أخذ كل من الجسيمات لحالة واحدة من الطيف المتاح لها.

• المعلومات ليس لها معنى محدد حتى يتم تحديد أحد التفسيرات المحتملة. في الوقت نفسه ، لا يمكن القول أن هناك معنى ، لكننا ببساطة لا نعرف ذلك بعد. يمكن تفسير نفس المعلومات بشكل مختلف من قبل أشخاص مختلفين أو من قبل شخص واحد ، ولكن في ظروف مختلفة.
مفارقة آينشتاين - بودولسكي - روزن ( مفارقة EPR) في وقت من الأوقات أثار السؤال عما إذا كان للنظام الكمومي أي حالة محددة قبل لحظة القياس ، لكننا ببساطة لم نكن نعرف ذلك ، أو أن الحالة نفسها ظهرت فقط في لحظة القياس (التفاعل مع النظام الكمي). في وقت لاحق تم صياغة عدم المساواة في بيل ، على أساس أنه كان من الممكن التوصل إلى تجارب تسمح للمرء بالتحقق من كيفية وصف الظواهر الكمومية: الاحتمالية أو الحتمية. في حدود الدقة التي تحققت حتى الآن ، تأكد أن التفسير الاحتمالي هو الأفضل.

• موجات المعلومات هي جبهات الانتشار لنشاط معين على الخلايا العصبية ، ولكنها ليست نشاطًا كليًا ، ولكنها جزئية ، أي وجود نمط مكاني داخلي معين. علاوة على ذلك ، هذا النمط فريد لكل مفهوم معلومات. إذا قمت بتعيين معرف فريد للحدث (يقوم الحصين بهذه الوظيفة) ووزعته في جميع أنحاء المساحة القشرية ، فإن تقاطع نمطه (نمط معرف الحصين) مع الأعمدة الصغيرة القشرية التي تشكل الوصف الحالي يخلق صورة تداخل. يمكن تذكر هذه الصورة عن طريق تغيير حالة التجمعات الاستقلابية الاستقلابية. في وقت لاحق ، يمكن استنساخ هذه الصورة. علاوة على ذلك ، لا يتم تحديد ذاكرة كل حدث في مكان واحد ، ولكن يتم توزيعه في جميع أنحاء مساحة القشرة. كل مكانشارك في وصف الحدث الذي تم تذكره ، يترك بصمة لجزء من معرّف هذا الحدث. يمكن لكل مكان بعد ذلك "تذكر" أحد المعرفات المخزنة وتوزيعه على مساحة القشرة ، مما قد يتسبب في "رد" جميع الأماكن الأخرى حيث يتم تخزين هذا المعرف. ونتيجة لذلك ، يمكنك الحصول على استعادة صورة المعلومات الأصلية. يمكن تصور ذلك على النحو التالي: لنفترض أن هناك العديد من القطاعات في الملعب. كل قطاع مسؤول عن مفهوم معين. بعد تحديد عدة قطاعات ، قمنا بتعيين الوصف الحالي ، والذي يتكون من عدة مفاهيم. يجب على الجميع في هذه القطاعات رفع يدهم اليمنى. لنبدأ الآن موجة من الأفكار التي ترميز معرف الذاكرة الحالية. الكل،من يقف ورفع يده في هذه الحالة عليه أن يكتب لنفسه في دفتر ملاحظات القطاعات التي يرونها بأيديهم. إذا تكررت صورة القطاعات لاحقًا ، فسيتعين عليها النهوض. في هذه اللحظة ، ستبدأ موجة منهم ، تحمل معرف تلك الذاكرة بالذات.
يعتمد التصوير المجسم المادي على حقيقة أنه إذا قمت بإضاءة لوحة فوتوغرافية وجسم بمصدري ضوء متماسكين ، فإن تداخل الضوء من المصدر والضوء المنعكس من الكائن سيخلق صورة إذا كنت تتذكر أنها تحفظ معلومات حول مجال الضوء بالكامل. إذا قمت بعد ذلك بتوجيه ضوء أحادي اللون (يفضل) على لوحة فوتوغرافية بهولوغرام ، فسيتم استعادة مجال الضوء الأصلي. في هذه الحالة ، سيتم تخزين المعلومات الموزعة ، أي أن كل قسم من الصورة المجسمة لن يخزن الجزء الخاص به من الصورة ، ولكن الصورة بأكملها.

• من أجل خلق مساحة للاختبار المتوازي للفرضيات المحتملة (لتنفيذ مبدأ حساب الكمبيوتر الكمومي) ، يتم التنظيم الذاتي المكاني لترتيب أعمدة الكاشف المصغر على القشرة. نظرًا للمناطق التي يتم تشكيلها ، يتحقق كل منها من نفس معلومات الإدخال للامتثال للسياق الذي يميز هذه المنطقة. نظرًا للطبيعة الموزعة للذاكرة ، يمكن لكل منطقة الوصول إلى حجم الذكريات التي تحتاجها للعمل. يتم تنفيذ التنظيم المكاني نفسه تحت تأثير التجربة الحقيقية والبصمات على نفسه ملامح ما يحدث وما لا يحدث في العالم الحقيقي. ونتيجة لذلك ، من الممكن عدم اختبار جميع الفرضيات المحتملة التوافقية ، ولكن قصرها على أكثر الاحتمالات فقط ، أي تلك التي تمت مواجهتها سابقًا.المبدأ الأساسي لمثل هذا التنظيم الذاتي هو أن كاشفات المفاهيم ، التي تم العثور عليها معًا في تجربة حقيقية ، يجب أن تكون موجودة معًا في الفضاء القشري.
إذا قارنا بالملعب ، فلنفترض أن الناس لا يمكنهم رؤية جميع القطاعات دفعة واحدة (بهدف رفع أيديهم) ، ولكن فقط عدد قليل من القطاعات المجاورة. لكي يتمكن الأشخاص من رؤية الوصف الذي يحتاجون إلى تذكره بالكامل ، من الضروري أن تكون القطاعات التي يمكن تحقيقها معًا في الوصف موجودة في مكان قريب. إذا كانت الأوصاف عبارة عن مجموعات عشوائية من المفاهيم ، فيجب أن يكون لديك في كل مكان كل المفاهيم الممكنة (والتي سيكون من المستحيل وضع كل شيء فيها على الفور في الحي). ولكن إذا كانت الأوصاف تحتوي على انتظام ، أي أن شيئًا ما أكثر شيوعًا معًا ، وشيء أقل شيوعًا ، فعند المحاولة ، يمكنك تعيين مفاهيم للقطاعات بحيث تتناسب الأوصاف تمامًا مع القطاعات المجاورة.
لتنفيذ التنظيم الذاتي ، يلزم استخدام الآليات التي تضع نموذجًا على مستوى الاتصالات العصبية (تثبيط وتنشيط) مبادئ الجاذبية والنفور ، علاوة على ذلك ، وفقًا لعدة معايير ومع تبعيات مختلفة على المسافة.
في العالم المادي ، تأخذ المادة جميع أشكالها المعقدة من خلال التنظيم الذاتي المكاني ، بناءً على استخدام تفاعلات الجاذبية والكهرومغناطيسية والقوية والضعيفة .

• مبادئ السلوك البشري والحيواني ، وكذلك مبادئ التفكير ، هي تنفيذ آليات التعلم مع التعزيز. يعتمد التعلم المعزز على معادلة بيلمان ومبدأ تحسين بيلمان. معادلة بيلمان هي حالة زمنية منفصلة أكثر عموميةمعادلة هاميلتون - جاكوبي - بيلمان ، والتي تسمى بذلك لأنها تناظرية لمعادلة هاميلتون - جاكوبي المعروفة من الميكانيكا.
إذا كان الأمر بسيطًا للغاية بشأن الاستاد ، فتخيل أن الناس يتذكرون ما يحدث ، ويكتبون شيئًا في دفتر الملاحظات ، ويتذكرون متى يتكرر ، ويستيقظون ، وبالتالي إطلاق موجات بمعرفات الذكريات. يتم تسجيل الموجات مع هذه المعرّفات من قبل أشخاص مميزين في القطاعات. عند تعلم الموجة ، يطلبون من الجميع في القطاع رفع أيديهم. لذلك ، تذكر شيئًا ما في مكان واحد ، يمكنك استعادة صورة المعلومات المحفوظة في جميع أنحاء الاستاد.
تخيل الآن أن الأوصاف ترمز إلى وضع اللاعبين في الملعب والفرق الخاصة بهم. أي أن جميع اللاعبين (من الفريق الذي يمتلك الاستاد) ينظرون إلى المدرجات ولا يفعلون شيئًا إلا إذا تطورت صورة الأيدي المرفوعة في القطاعات إلى فريق يمكن فهمه للعمل. لوحة النتائج معلقة فوق الملعب. إذا تبين أن الإجراء كان ناجحًا ، فقد سجلنا هدفًا ، ثم يراه الجميع في المدرجات ، ويرونه ، وعندما سجلنا هدفًا. حسن الحظ والفشل يمكن أن يعلم الناس ما يتذكرونه ، وما لا يستحق التذكر. للقيام بذلك ، يكفي تعديل ملاحظاتهم في دفتر الملاحظات فيما يتعلق بالحاجة إلى الاستيقاظ. هذا ، في مشروع ، تدريب التعزيز.
يتم تحديد سلوك الأنظمة الفيزيائية من خلال مبدأ العمل الأقل ( مبدأ هاميلتون) القوانين التي تحدد سلوك الأنظمة الديناميكية (في ميكانيكا كلاسيكية وكمومية) مستمدة من هذا المبدأ (بما في ذلك معادلة هاميلتون-جاكوبي ).

يتم إعطاء المقارنات الرئيسية ، ولكن ليس كلها ، لكنها كافية لإثارة السؤال "الصحيح" الذي لا مناص منه: لماذا يكون الدماغ منظمًا للغاية ، فلماذا تحتوي مبادئ عملها على مثل هذه المقارنات الوثيقة مع قوانين العالم المادي؟ والمثير للدهشة أن هذا السؤال لديه إجابة قوية للغاية.

منذ فترة طويلة عرف ما يسمى مبدأ الإنسان. جوهرها هو أن الكون المحيط بنا يبدو مصممًا خصيصًا بحيث يمكن أن تنشأ الحياة البيولوجية وتتطور فيه. من المعروف أنه إذا قمت بتغيير شيء ما على الأقل المبادئ الفيزيائية لكوننا أو حتى تغيرت الثوابت الفيزيائية بشكل طفيف ، فلن تنشأ الحياة في مثل هذا الكون أبدًا. إذا تحدثنا عن المبادئ الأساسية ، فإن أي تغيير فيها يؤدي إلى حقيقة أن المادة ، على الأرجح ، ستتوقف عن الاستقرار ، ولن تكون النجوم أو المجرات ولا الكواكب قادرة على التكون. إن التغييرات الأكثر دقة "تقتل" سحر الكربون. والحقيقة هي أن الحياة البيولوجية كلها تعتمد على قدرة الكربون على تكوين جزيئات بروتينية طويلة. هذه هي المادة الوحيدة القادرة مع الآخرين على إنشاء تلك الطوب التي تتكون منها جميع الكائنات الحية.التغيير البسيط في إعدادات الكون لا يحرم الكربون من هذه القدرة فحسب ، بل يؤدي أيضًا إلى حقيقة أنه لا يمكن لأي مادة واحدة أن تشكل أي شيء معقد مماثل.

لماذا كوننا هكذا؟ الجواب الأنيق يعطى من خلال نظرية "تكاثر الأكوان" أو كما يطلق عليها أيضًا نظرية "الانتقاء الطبيعي الكوني". كل شيء يقع في مكانه إذا افترضنا أن كوننا ليس فريدًا ، ولكن فقط واحد من الأكوان العديدة التي تولد وتموت ، تتنافس مع بعضها البعض (على سبيل المثال ، للمادة) والأهم من ذلك أنها يمكن أن تنقل خصائصها عن طريق الميراث. علاوة على ذلك ، أثناء نقل الممتلكات ، يمكن أن تحدث طفرات ، والتي يمكن إلى حد ما تغيير قوانين الأكوان الابنة. أي أن كل الأكوان ، وبالتالي كوننا ، هي نتيجة للتطور الهائل للأكوان. إنه لأمر مخيف حتى أن نتخيل عدد الأكوان الأخرى ومدة هذا العمل التطوري
في عملية هذا التطور ، نشأت أكوان وكون أكثر بساطة مع قوانين أخرى ، ولكن تبين أن قوانيننا أفضل لأنها يمكن أن تخلق مادة أكثر تعقيدًا وتنافسية. يمكننا أن نفترض أن الحياة ، وخاصة الحياة الذكية ، هي واحدة من النقاط الرئيسية التي تمنح الأكوان ميزة تنافسية (إذا كان لدي ما يكفي من القوة ، سأكتب مقالًا حول ما يحتوي عليه من أفكار مثيرة للاهتمام). لذلك ، تبين أن كوننا هو ذلك بالضبط ، موجه نحو ظهور الحياة.

إن نظرية الانتقاء الطبيعي الكوني جيدة بشكل خاص لأنها ، من حيث المبدأ ، تسمح بالتحقق التجريبي. على سبيل المثال ، إذا كان من الممكن العثور على آليات الميراث أو آليات المنافسة. لذلك ، يقول ستيفن هوكينج الآن أن التوزيع غير المتكافئ للمادة في الكون يمكن أن "يُرث" من الكون السابق ، الذي كان موجودًا قبل الانفجار العظيم. هناك حجة سمولين حول دور الثقوب السوداء كأداة محتملة لولادة أكوان جديدة. معًا ، هذا شيء.

لكن عملي أدى بشكل غير متوقع إلى دليل مقنع تمامًا (على الأقل بالنسبة لي) لنظرية تطور الأكوان. حول الكون ، يمكننا فقط أن نفترض أن هذا هو نتيجة التطور والانتقاء الطبيعي بين الأكوان الأخرى. حول الدماغ ، نعلم على وجه اليقين أن هذا هو نتيجة التطور البيولوجي والانتقاء الطبيعي البيولوجي. واجه كل من الدماغ والكون خلال العملية التطورية مشاكل مماثلة. كان من الضروري للكون أن يخلق آلية سمحت بظهور مادة معقدة تدرك خصائص استثنائية. كانت هذه الآلية ميكانيكا كمية ، والتي تبين أنها أوامر من الحجم أكثر إثارة للاهتمام من الأنظمة القطعية البسيطة. ومع ذلك ، كان الدماغ بحاجة إلى إدراك ومعالجة المعلومات غير التافهة التي يولدها العالم المحيط. واتضح أن المبادئ تشبه ميكانيكا الكم ،أي أن استخدام المفاهيم الغامضة وعملية اختيار معنى يمكن مقارنته بانهيار وظيفة الموجة قد منح الدماغ قدرات أكبر بكثير من الأنظمة "الحتمية" (مثل آلات تورينج).

هذا يعني. بما أن المبادئ الكامنة في الدماغ هي نتيجة للتطور والانتقاء الطبيعي ، وإذا كانت المبادئ الكامنة في الكون مشابهة للمبادئ التي يستخدمها الدماغ ، فمن المرجح أن تكون مبادئ وقوانين الكون نتيجة للتطور والانتقاء الطبيعي.

في الواقع ، الآن قصتي تدور حول كيفية هيكلة الدماغ وكيف يطبق مبادئ مشابهة لقوانين الكون على مستوى الخلايا العصبية البيولوجية.

Source: https://habr.com/ru/post/ar384461/