Gehirn. Holographisches Gedächtnis. Biologie des Quantencomputers

Sie sagen, um eine Frage richtig zu stellen, muss man den größten Teil der Antwort wissen. Die Hauptfrage, die normalerweise über das Gehirn gestellt wird, ist, wie es funktioniert und welche Prinzipien es hat. Die Frage ist gut und ganz richtig. Aber nehmen wir an, wir haben es geschafft, "den größten Teil der Antwort" herauszufinden. Angenommen, es ist eine Theorie entstanden, die ausschließlich plausibel die Funktionsweise des Gehirns beschreibt. Welche Frage wird jetzt "richtig" sein?

Ich entwickle ein Modell, das ich Musterwelle nenne. Es scheint mir, dass es endlich möglich war, vollständig zu verstehen, wie das Gehirn dennoch funktioniert. Dies ist natürlich meine persönliche Überzeugung, und sie ist sicherlich voreingenommen und voreingenommen. Aber jetzt geht es nicht darum. Vor einigen Tagen habe ich auf einem Seminar am Pavlov Institute of Physiology über das Musterwellenmodell gesprochen. Ich schlage vor, am Ende dieses Beitrags eine Aufzeichnung dieser Rede anzusehen. Die Präsentation enthält im Vergleich zu den vorherigen Materialien, die ich über Habr und Giktaym erstellt habe, viele neue Materialien, und dies kann für diejenigen interessant sein, die den Fortschritt der Forschung verfolgen. Es ist jedoch möglich, dass es interessanter ist, die Präsentation vom Ende an zu sehen, dh die Antwort auf diese „richtige Frage“ herauszufinden.

Ich möchte Sie daran erinnern, dass das Musterwellenmodell ein Versuch ist, die Funktionsweise des Gehirns zu erklären, indem nicht nur bestimmte Algorithmen beschrieben, sondern auch gezeigt wird, wie sie biologisch implementiert sind. Dies erschwert einerseits die Aufgabe erheblich, da es den Flug der Vorstellungskraft erheblich einschränkt. Andererseits gibt die Neurophysiologie durch die Neurophysiologie eine Vielzahl von Hinweisen auf die reale Architektur des Gehirns, die jedoch noch richtig interpretiert werden müssen. Es stellte sich also heraus, dass nicht nur viele, sondern alle Grundprinzipien, die für das Gehirn charakteristisch sind (gemäß dem vorgeschlagenen Modell), den Gesetzen und Prinzipien, denen die physische Welt um uns herum gehorcht, überraschend ähnlich sind. Fast alle Ideen der Quantenmechanik wurden im Gehirn verwirklicht.
Die Geschichte über das Modell selbst wird in der Rede sein, und jetzt werde ich kurz die wichtigsten Zufälle auflisten:

• Informationen verbreiten sich in Wellen der Neuronenaktivität durch den Raum des Gehirns. Die Welle ist gleichzeitig nicht nur eine Störung, die weiter übertragen wird, sondern die Ausbreitung eines bestimmten Aktivitätsmusters, das für jedes übertragene Konzept individuell ist. Dies kann man sich leicht vorstellen. Denken Sie an die Laufwelle auf dem Podium des Stadions. Jeder steht auf, wenn die Wellenfront ihn erreicht, und setzt sich nach einer Sekunde, einer anderen. Dies ist nur eine Welle. Stellen Sie sich nun vor, Sie sollten nur aufstehen, wenn bestimmte Nachbarn bereits in der Nähe gestanden haben (z. B. drei von zwanzig, die in der Nähe sitzen). Angenommen, Sie haben eine Liste von Kombinationen, auf die Sie reagieren sollten. Nehmen wir an, jeder im Stadion hat seine eigene Liste. Dann läuft nicht nur eine feste Welle, sondern ein Muster aus denjenigen, die aufgestanden sind und eine Kombination aus ihrer Liste erkannt haben.Wenn Sie ein solches Design aus großer Entfernung betrachten, sehen wir nur eine laufende Welle. Wenn Sie sich jedoch jeden einzelnen Ort ansehen, werden Sie ein Muster bestimmter Menschen sehen, die auferstanden sind.

Dieses Schema implementiert sofort drei grundlegende physikalische Prinzipien:

1. Welle-Teilchen-Dualität. Physikalische Teilchen sind sowohl Teilchen als auch Wellen. Abhängig von den Umständen können sie beide Eigenschaften aufweisen. Eine Informationswelle ist eine Welle, wenn man ihre Verteilung betrachtet, aber an jedem bestimmten Ort, an dem sie passiert, ist sie ein bestimmtes eindeutiges Muster (Muster).
2. Huygens-Fresnel-Prinzip . Jeder Ort des Raums, an dem die Wellenfront erreicht hat, kann als Punktquelle einer neuen Welle betrachtet werden. Durch Hinzufügen von Wellen aus allen Quellen können wir beschreiben, wie das endgültige Verteilungsmuster aussehen wird. In der Informationswelle ist jedes Muster eine Quelle für Wellenstrahlung (es zwingt Nachbarn, die noch nicht aufgestiegen sind, ein bestimmtes Muster fortzusetzen).
3. . , . , . , , . , . , , . , , , , .

• Die Übertragung von Informationen innerhalb einer Zone des Kortex (nicht mit den Projektionen zwischen den Zonen verwechseln) erfolgt nicht von einem Ort zum anderen, sondern von einer Wellenquelle, die von der Quelle abweicht und Informationen in der gesamten Zone überträgt. Jeder Ort im Gehirn kann Informationswellen auslösen. Dazu reicht es aus, an dieser Stelle ein Aktivitätsmuster zu reproduzieren, das dem ähnelt, was darin auftritt, wenn die entsprechende Welle vorbeizieht. Dies ähnelt der Art und Weise, wie in der physischen Welt elektromagnetische Wellen Informationen nicht gezielt, sondern im gesamten Raum übertragen. Jeder Ort im Weltraum kann jede Welle aufnehmen. Sie können es von überall ausführen. Radiosender senden in der Luft, so dass möglicherweise jeder Eigentümer des Radios seine Sendungen empfangen kann.

• Die chemische Wechselwirkung zwischen Neuronen wird durchgeführt, indem Teile von Substanzen aus speziellen Blasen - Neurotransmittern - emittiert werden. Es gibt ein Mindestquantum für eine solche Wechselwirkung - dies ist die Emission einer Blase mit Molekülen. Blasen (Vesikel) haben eine konstante Anzahl von Molekülen, die streng eingehalten wird. In der Blase befindet sich nicht ein Neurotransmitter, sondern ein Cocktail aus Neurotransmittern und Neuromodulatoren. Mit diesem Cocktail können Sie die Signale eines Neurons von den Signalen eines anderen unterscheiden und einen einfachen Mechanismus erstellen, mit dem Sie durch das Vorhandensein eines bestimmten Satzes von Neurotransmittern verstehen können, dass alle erforderlichen Neuronen funktioniert haben.
In der physischen Welt gibt es eine minimale Interaktionseinheit - ein Quantum. In der Quantenmechanik müssen Größen diskrete Werte annehmen, dh quantisieren. BEIMIm Standardmodell besteht die gesamte Materie aus 12 fundamentalen Quantenfeldern des Spins ½. Die Quanten dieser Felder sind fundamentale Fermionteilchen. Alle anderen Teilchen und Wechselwirkungsträger sind bestimmte Kombinationen von Fermionen.

• Das Gehirn arbeitet mit Konzepten, die keine klare Bedeutung haben. Zum Beispiel hat jedes Wort in einer natürlichen Sprache je nach Kontext viele Interpretationen. Jedes Konzept hat einen Bereich akzeptabler Werte. Wenn Informationen durch eine Reihe von Konzepten beschrieben werden, sind mögliche Interpretationen eine Überlagerung aller möglichen Werte für jedes in der Beschreibung enthaltene Konzept. Die Wahl der Bedeutung ist eine Wahl für jedes Konzept, das in der Beschreibung einer bestimmten Interpretation enthalten ist, während jedes Konzept einen bestimmten Wert aus dem für ihn möglichen Spektrum erfasst. Ebenso darf sich ein physikalisches Teilchen nicht in beliebigen Zuständen befinden, sondern nur in erlaubten, die das Spektrum der erlaubten Zustände bilden. Ein Quantensystem aus mehreren Teilchen hat ein Spektrum zulässiger Zustände, das eine Überlagerung der zulässigen Zustände seiner Teilchenbestandteile darstellt.Zum Zeitpunkt der Messung wählt das Quantensystem einen der zulässigen Zustände aus, wobei jedes der Teilchen einen einzelnen Zustand aus dem ihm zur Verfügung stehenden Spektrum annimmt.

• Informationen haben keine spezifische Bedeutung, bis eine der möglichen Interpretationen ausgewählt ist. Gleichzeitig kann nicht gesagt werden, dass es einen Sinn gibt, aber wir wissen es einfach noch nicht. Dieselben Informationen können von verschiedenen Personen oder von einer Person unterschiedlich interpretiert werden, jedoch unter verschiedenen Umständen.
Das Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon ( EPR-Paradoxon)) warf einmal die Frage auf, ob das Quantensystem vor dem Zeitpunkt der Messung einen bestimmten Zustand hatte, aber wir wussten es einfach nicht, oder der Zustand selbst erschien nur zum Zeitpunkt der Messung (Wechselwirkung mit dem Quantensystem). Später wurden Bellsche Ungleichungen formuliert, auf deren Grundlage Experimente möglich waren, mit denen überprüft werden konnte, wie sinnvoll es ist, Quantenphänomene zu beschreiben: probabilistisch oder deterministisch. Im Rahmen der bisher erreichten Genauigkeit wird bestätigt, dass eine probabilistische Interpretation vorzuziehen ist.

• Informationswellen sind die Ausbreitungsfronten einer bestimmten Aktivität auf Neuronen, jedoch nicht die Gesamtaktivität, sondern teilweise, dh mit einem bestimmten internen räumlichen Muster. Darüber hinaus ist dieses Muster für jedes Informationskonzept einzigartig. Wenn Sie dem Ereignis eine eindeutige Kennung zuweisen (der Hippocampus führt diese Funktion aus) und diese im gesamten kortikalen Raum verteilen, erzeugt der Schnittpunkt seines Musters (das Hippocampus-Kennungsmuster) mit den kortikalen Minisäulen, aus denen die aktuelle Beschreibung besteht, ein Interferenzbild. Dieses Bild kann durch Ändern des Zustands von metabotropen Rezeptionsclustern in Erinnerung bleiben. Anschließend kann dieses Bild reproduziert werden. Darüber hinaus ist die Erinnerung an jedes Ereignis nicht an einem Ort lokalisiert, sondern im gesamten Raum des Kortex verteilt. Jeder Platzhat an der Beschreibung des erinnerten Ereignisses teilgenommen und einen Abdruck eines Fragments der Kennung dieses Ereignisses hinterlassen. Jeder Ort kann sich anschließend an einen der gespeicherten Bezeichner „erinnern“ und ihn über den Raum des Kortex verteilen, was dazu führen kann, dass alle anderen Orte, an denen dieser Bezeichner gespeichert ist, „antworten“. Auf diese Weise können Sie das ursprüngliche Informationsbild wiederherstellen. Dies kann wie folgt visualisiert werden: Angenommen, es gibt viele Sektoren im Stadion. Jeder Sektor ist für ein bestimmtes Konzept verantwortlich. Nachdem wir mehrere Sektoren angegeben haben, legen wir die aktuelle Beschreibung fest, die aus mehreren Konzepten besteht. Jeder in diesen Sektoren sollte seine rechte Hand heben. Beginnen wir nun mit einer Welle von Erkenntnissen, die die Kennung des aktuellen Speichers codieren. Alle,Wer aufgestanden ist und dessen Hand in diesem Fall erhoben wurde, muss sich in ein Notizbuch schreiben, welche Sektoren er mit erhobenen Händen sieht. Wenn sich anschließend das Bild der Sektoren wiederholt, müssen sie aufstehen. In diesem Moment beginnt eine Welle von ihnen, die die Kennung dieser Erinnerung trägt.
Die physikalische Holographie basiert auf der Tatsache, dass, wenn Sie eine Fotoplatte und ein Objekt mit zwei kohärenten Lichtquellen beleuchten, die Interferenz des Lichts von der Quelle und des vom Objekt reflektierten Lichts ein Bild erzeugt, das, wenn Sie sich daran erinnern, Informationen über das gesamte Lichtfeld speichert. Wenn Sie dann monochromes (vorzugsweise) Licht mit einem Hologramm auf eine Fotoplatte richten, wird das ursprüngliche Lichtfeld wiederhergestellt. In diesem Fall werden die Informationen verteilt gespeichert, dh jeder Abschnitt des Hologramms speichert nicht seinen eigenen Teil des Bildes, sondern das gesamte Bild.

• Um Raum für das parallele Testen möglicher Hypothesen zu schaffen (um das Prinzip der Berechnung eines Quantencomputers umzusetzen), findet eine räumliche Selbstorganisation der Anordnung von Minidetektorsäulen auf der Kortikalis statt. Aufgrund dessen, welche Bereiche gebildet werden, überprüft jeder die gleichen Eingabeinformationen auf Übereinstimmung mit dem für diesen Bereich charakteristischen Kontext. Aufgrund der verteilten Natur des Speichers hat jeder Bereich Zugriff auf das Speichervolumen, das er zum Arbeiten benötigt. Die räumliche Organisation selbst wird unter dem Einfluss realer Erfahrungen durchgeführt und prägt sich selbst die Merkmale dessen ein, was in der realen Welt passiert und was nicht. Aus diesem Grund ist es möglich, nicht alle kombinatorisch möglichen Hypothesen zu testen, sondern sich nur auf die wahrscheinlichsten zu beschränken, dh auf diejenigen, die zuvor angetroffen wurden.Das Grundprinzip einer solchen Selbstorganisation ist, dass die Konzeptdetektoren, die in der realen Erfahrung zusammen gefunden werden, zusammen im kortikalen Raum lokalisiert werden sollten.
Wenn wir mit dem Stadion vergleichen, nehmen wir an, dass die Menschen nicht alle Sektoren gleichzeitig sehen können (um ihre Hände zu heben), sondern nur einige benachbarte. Damit die Benutzer die Beschreibung, an die sie sich erinnern müssen, vollständig sehen können, müssen sich die Sektoren, die in der Beschreibung zusammengeführt werden können, in der Nähe befinden. Wenn es sich bei den Beschreibungen um zufällige Konzeptsätze handelt, müssen Sie an jedem Ort alle möglichen Konzepte haben (und es wird unmöglich sein, alles sofort in der Nachbarschaft zu platzieren). Wenn die Beschreibungen jedoch Regelmäßigkeiten enthalten, dh etwas gemeinsam häufiger und etwas weniger häufig ist, können Sie Sektoren durch Versuchen Konzepte zuweisen, sodass die Beschreibungen in den meisten Fällen vollständig in benachbarte Sektoren passen.
Um die Selbstorganisation zu implementieren, müssen Mechanismen verwendet werden, die auf der Ebene neuronaler Verbindungen (Hemmung und Aktivierung) die Prinzipien der Anziehung und Abstoßung nach mehreren Kriterien und mit unterschiedlichen Abhängigkeiten von der Entfernung modellieren.
In der physischen Welt nimmt Materie all ihre komplexen Formen durch räumliche Selbstorganisation an, basierend auf der Verwendung von gravitativen, elektromagnetischen, starken und schwachen Wechselwirkungen .

• Die Prinzipien des menschlichen und tierischen Verhaltens sowie die Prinzipien des Denkens sind die Implementierung von Lernmechanismen mit Verstärkung. Das Reinforcement-Lernen basiert auf der Bellman-Gleichung und dem Bellman-Optimierungsprinzip. Die Bellman-Gleichung ist ein zeitdiskreter Fall eines allgemeinerendie Hamilton-Jacobi-Bellman-Gleichung , die so genannt wird, weil sie ein Analogon der aus der Mechanik bekannten Hamilton-Jacobi-Gleichung ist.
Wenn das Stadion sehr simpel ist, stellen Sie sich vor, dass sich die Leute daran erinnern, was gerade passiert, etwas in ein Notizbuch schreiben, sich daran erinnern, wann es wiederholt wird, und aufstehen und dabei Wellen mit Identifikatoren von Erinnerungen auslösen. Wellen mit diesen Kennungen werden von bestimmten Personen in Sektoren aufgezeichnet. Nachdem sie die Welle gelernt haben, befehlen sie allen in der Branche, ihre Hand zu heben. Wenn Sie sich also an etwas an einem Ort erinnern, können Sie das gespeicherte Informationsbild im gesamten Stadion wiederherstellen.
Stellen Sie sich nun vor, dass die Beschreibungen die Position der Spieler auf dem Spielfeld und der Teams für sie kodieren. Das heißt, alle Spieler (der Mannschaft, der das Stadion gehört) schauen auf die Tribünen und tun nur dann etwas, wenn sich das Bild der erhobenen Hände in den Sektoren zu einem verständlichen Team für Aktionen entwickelt hat. Über dem Stadion hängt eine Anzeigetafel. Wenn sich die Aktion als erfolgreich herausstellte, haben wir ein Tor erzielt, dann sieht es jeder auf der Tribüne, sie sehen es und wenn wir ein Tor erzielt haben. Glück und Misserfolg können den Menschen beibringen, woran sie sich erinnern sollen und woran sie sich nicht erinnern sollten. Zu diesem Zweck reicht es aus, die Notizen im Notizbuch hinsichtlich der Notwendigkeit des Aufstehens anzupassen. Dies ist im Entwurf ein Verstärkungstraining.
Das Verhalten physikalischer Systeme wird durch das Prinzip der geringsten Wirkung ( Hamilton-Prinzip) bestimmt) Aus diesem Prinzip (einschließlich der Hamilton-Jacobi-Gleichung ) werden Gesetze abgeleitet, die das Verhalten dynamischer Systeme (sowohl in der klassischen als auch in der Quantenmechanik) bestimmen .

Die grundlegenden, aber nicht alle Analogien sind gegeben, aber sie reichen aus, um die unvermeidliche „richtige“ Frage zu stellen: Warum ist das Gehirn so strukturiert, warum haben die Prinzipien seiner Funktionsweise so enge Analogien zu den Gesetzen der physischen Welt? Am überraschendsten ist, dass diese Frage eine sehr solide Antwort hat.

Das sogenannte anthropische Prinzip ist seit langem bekannt. Sein Wesen ist, dass das uns umgebende Universum speziell so gestaltet zu sein scheint, dass biologisches Leben in ihm entstehen und sich entwickeln kann. Es ist bekannt, dass das Leben in einem solchen Universum niemals entstehen wird, wenn Sie zumindest etwas an den physikalischen Prinzipien unseres Universums ändern oder sogar die physikalischen Konstanten geringfügig ändern. Wenn wir über die Grundprinzipien sprechen, führt jede Änderung in ihnen dazu, dass die Materie höchstwahrscheinlich nicht mehr stabil ist und sich weder Sterne noch Galaxien oder Planeten bilden können. Subtilere Veränderungen „töten“ die Magie des Kohlenstoffs. Tatsache ist, dass alles biologische Leben auf der Fähigkeit von Kohlenstoff basiert, lange Proteinmoleküle zu bilden. Dies ist die einzige Substanz, die in Kombination mit anderen jene Steine ​​schaffen kann, aus denen alle Lebewesen bestehen.Die geringste Änderung der Einstellungen des Universums beraubt Kohlenstoff nicht nur dieser Fähigkeit, sondern führt auch dazu, dass keine einzige Substanz einen vergleichbaren Komplex bilden kann.

Warum ist unser Universum so? Die elegante Antwort gibt die Theorie der "Multiplikation von Universen" oder auch die Theorie der "kosmologischen natürlichen Auslese". Alles passt zusammen, wenn wir annehmen, dass unser Universum nicht einzigartig ist, sondern nur eines der vielen Universen, die geboren werden und sterben, miteinander konkurrieren (zum Beispiel um Materie) und vor allem ihre Eigenschaften durch Vererbung übertragen können. Darüber hinaus können während der Übertragung von Eigenschaften Mutationen auftreten, die die Gesetze der Tochteruniversen in gewissem Maße ändern können. Das heißt, alle Universen und damit auch unsere sind das Ergebnis der kolossalen Entwicklung der Universen. Es ist beängstigend, sich vorzustellen, wie viele andere Universen existieren und wie lange diese evolutionäre Aktion dauert
Im Verlauf dieser Entwicklung entstanden wahrscheinlich einfachere Universen und Universen mit anderen Gesetzen, aber unsere Gesetze erwiesen sich als besser, weil sie komplexere und wettbewerbsfähigere Angelegenheiten schaffen könnten. Wir können davon ausgehen, dass das Leben und insbesondere das intelligente Leben einer der wichtigsten Punkte ist, die den Universen einen Wettbewerbsvorteil verschaffen (wenn ich genug Kraft habe, schreibe ich einen Artikel darüber, was darin interessante Ideen enthält). Daher stellte sich heraus, dass unser Universum genau das ist und auf die Entstehung des Lebens ausgerichtet ist.

Die Theorie der kosmologischen natürlichen Selektion ist besonders gut, weil sie im Prinzip eine experimentelle Verifikation ermöglicht. Zum Beispiel, wenn es möglich ist, Vererbungsmechanismen oder Wettbewerbsmechanismen zu finden. Stephen Hawking sagt also bereits jetzt, dass die ungleichmäßige Verteilung der Materie im Universum vom vorherigen Universum, das vor dem Urknall existierte, „geerbt“ werden kann. Es gibt Smolins Argument über die Rolle der Schwarzen Löcher als mögliches Werkzeug für die Geburt neuer Universen. Alles in allem ist das etwas.

Aber meine Arbeit führte unerwartet zu einem (zumindest für mich) ziemlich überzeugenden Beweis für die Evolutionstheorie der Universen. Über das Universum können wir nur annehmen, dass dies das Ergebnis der Evolution und der natürlichen Selektion unter anderen Universen ist. Über das Gehirn wissen wir mit Sicherheit, dass dies das Ergebnis der biologischen Evolution und der biologischen natürlichen Selektion ist. Sowohl das Gehirn als auch das Universum hatten während des Evolutionsprozesses ähnliche Probleme. Das Universum musste einen Mechanismus schaffen, der die Entstehung komplexer Materie ermöglichte, die außergewöhnliche Eigenschaften verwirklicht. Dieser Mechanismus war die Quantenmechanik, die sich als um Größenordnungen interessanter herausstellte als einfache deterministische Systeme. Das Gehirn musste jedoch nicht triviale Informationen, die von der umgebenden Welt erzeugt wurden, wahrnehmen und verarbeiten. Und es stellte sich heraus, dass die Prinzipien der Quantenmechanik ähnlich sind,Das heißt, die Verwendung mehrdeutiger Konzepte und die Auswahl einer Bedeutung, die mit dem Zusammenbruch der Wellenfunktion vergleichbar ist, hat dem Gehirn Fähigkeiten verliehen, die um ein Vielfaches größer sind als die der „deterministischen“ Systeme (wie Turing-Maschinen).

Dies impliziert. Da die dem Gehirn innewohnenden Prinzipien das Ergebnis von Evolution und natürlicher Selektion sind und wenn die dem Universum innewohnenden Prinzipien den vom Gehirn verwendeten Prinzipien ähnlich sind, sind die Prinzipien und Gesetze des Universums höchstwahrscheinlich auch das Ergebnis von Evolution und natürlicher Selektion.

In meiner Geschichte geht es jetzt darum, wie das Gehirn strukturiert ist und wie es Prinzipien implementiert, die den Gesetzen unseres Universums auf der Ebene der biologischen Neuronen ähnlich sind.

Source: https://habr.com/ru/post/de384461/