Cerebro. Memoria holográfica. Biología de la computación cuántica

Dicen que para hacer una pregunta correctamente necesita saber la mayor parte de la respuesta. La pregunta principal que generalmente se hace sobre el cerebro es cómo funciona y cuáles son los principios de su trabajo. La pregunta es buena y bastante correcta. Pero supongamos que logramos descubrir "la mayor parte de la respuesta". Supongamos que ha surgido una teoría que describe de manera exclusivamente plausible el funcionamiento del cerebro. ¿Qué pregunta será ahora "correcta"?

Estoy desarrollando un modelo que llamo onda de patrón. Me parece que, finalmente, fue posible comprender completamente cómo, sin embargo, funciona el cerebro. Por supuesto, esta es mi convicción personal, y ciertamente es parcial y parcial. Pero ahora no se trata de eso. Hace unos días, hablé sobre el modelo de onda de patrón en un seminario en el Instituto de Fisiología Pavlov. Sugiero ver una grabación de este discurso al final de esta publicación. La presentación contiene muchas novedades en comparación con los materiales anteriores que presenté sobre Habr y Giktaym, y esto puede ser interesante para aquellos que siguen el progreso de la investigación. Pero es posible que sea más interesante ver la presentación desde el final, es decir, encontrar la respuesta a esa "pregunta correcta".

Permítame recordarle que el modelo de onda de patrón es un intento de explicar cómo funciona el cerebro no solo describiendo ciertos algoritmos, sino también mostrando cómo se implementan biológicamente. Por un lado, esto complica enormemente la tarea, ya que limita significativamente el vuelo de la imaginación. Pero, por otro lado, a través de la neurofisiología ofrece una gran cantidad de pistas sobre la arquitectura real del cerebro, que, sin embargo, aún deben interpretarse correctamente. Entonces, resultó que no solo muchos, sino todos los principios básicos que son característicos del cerebro (según el modelo propuesto) son sorprendentemente similares a las leyes y principios a los que obedece el mundo físico que nos rodea. La mayoría de las ideas que componen la mecánica cuántica se han realizado en el cerebro.
La historia sobre el modelo en sí estará en el discurso, y ahora enumeraré brevemente las principales coincidencias:

• La información se propaga por el espacio del cerebro en ondas de actividad neuronal. La onda al mismo tiempo no es solo una perturbación que se transmite más, sino la propagación de un cierto patrón de actividad, individual para cada concepto transmitido. Esto se puede imaginar fácilmente. Recuerda la ola corriendo en el podio del estadio. Todos se levantan cuando el frente de ola los alcanza y se sientan después de un segundo, otro. Esto es solo una ola. Ahora imagine que debería ponerse de pie solo si ciertos vecinos ya se han parado cerca (por ejemplo, tres de cada veinte específicos sentados cerca). Y suponga que tiene una lista de combinaciones a las que debe responder. Digamos que todos en el estadio tienen su propia lista. Entonces, no solo se ejecutará una ola sólida, sino un patrón compuesto por aquellos que se pusieron de pie, reconociendo una combinación de su lista.Si observa un diseño de este tipo desde una gran distancia, solo veremos una ola en movimiento. Pero si observa cada lugar específico, verá un patrón de ciertas personas que han resucitado.

Este esquema implementa de inmediato tres principios físicos fundamentales:

1. Dualidad onda-partícula. Las partículas físicas son tanto partículas como ondas. Dependiendo de las circunstancias, pueden exhibir ambas propiedades. Una onda de información es una onda si observa su distribución, pero en cada lugar específico por donde pasa, es un cierto patrón único (patrón).
2. Principio de Huygens-Fresnel . Cada lugar del espacio donde el frente de la ola ha alcanzado puede considerarse como una fuente puntual de una nueva ola. La adición de ondas de todas las fuentes nos permite describir cómo se verá el patrón de distribución final. En la onda de información, cada patrón es una fuente de radiación de onda (obliga a los vecinos que aún no se han elevado a continuar un patrón específico).
3. . , . , . , , . , . , , . , , , , .

• La transmisión de información dentro de una zona de la corteza (no confundir con las proyecciones entre las zonas) no ocurre de un lugar a otro, sino de un frente de onda que diverge de la fuente, que transporta información a través de la zona. Cualquier lugar en el cerebro puede desencadenar ondas de información, para esto es suficiente reproducir en este lugar un patrón de actividad similar a lo que ocurre en él cuando pasa la onda correspondiente. Esto es similar a cómo en el mundo físico, las ondas electromagnéticas transportan información no de manera específica, sino a través del espacio. Cualquier lugar en el espacio puede tomar cualquier ola. Puedes ejecutarlo desde cualquier lugar. Las estaciones de radio transmiten en el aire para que potencialmente cualquier propietario de la radio pueda recibir sus transmisiones.

• La interacción química entre las neuronas se lleva a cabo mediante la emisión de porciones de sustancias de burbujas especiales: neurotransmisores. Hay una cantidad mínima de tal interacción: esta es la emisión de una burbuja con moléculas. Las burbujas (vesículas) tienen un número constante de moléculas, que se mantiene de forma bastante estricta. Dentro de la burbuja no hay un neurotransmisor, sino un cóctel de neurotransmisores y neuromoduladores. Este cóctel le permite distinguir las señales de una neurona de las señales de otra y crear un mecanismo simple que, por la presencia de un cierto conjunto de neurotransmisores, le permite comprender que todas las neuronas necesarias han funcionado.
En el mundo físico hay una unidad mínima de interacción: un cuanto. En mecánica cuántica, las cantidades deben tomar valores discretos, es decir, cuantizar. Aen el modelo estándar, toda la materia consta de 12 campos cuánticos fundamentales de spin ½, los cuantos de estos campos son partículas fundamentales de fermiones. Todas las demás partículas y portadores de interacción son ciertas combinaciones de fermiones.

• El cerebro opera con conceptos que no tienen un significado claro. Por ejemplo, cualquier palabra en un lenguaje natural tiene muchas interpretaciones, según el contexto. Cada concepto tiene un rango de valores aceptables. Si la información se describe mediante un conjunto de conceptos, las posibles interpretaciones son una superposición de todos los valores posibles para cada concepto incluido en la descripción. La elección del significado es una elección para cada concepto incluido en la descripción de una determinada interpretación, mientras que cada concepto captura un cierto valor del espectro de lo posible para él. Del mismo modo, una partícula física puede no estar en estados arbitrarios, sino solo en permitidos, que forman el espectro de estados permitidos. Un sistema cuántico de varias partículas tiene un espectro de estados permitidos, que es una superposición de los estados permitidos de sus partículas constituyentes.En el momento de la medición, el sistema cuántico selecciona uno de los estados permitidos, y cada una de las partículas toma un solo estado del espectro disponible.

• La información no tiene un significado específico hasta que se selecciona una de las posibles interpretaciones. Al mismo tiempo, no se puede decir que tenga sentido, pero simplemente no lo sabemos todavía. La misma información puede ser interpretada de manera diferente por diferentes personas o por una sola persona, pero en diferentes circunstancias.
La paradoja de Einstein - Podolsky - Rosen ( paradoja de EPR) en un momento planteó la cuestión de si el sistema cuántico tenía un estado definido antes del momento de la medición, pero simplemente no lo sabíamos, o el estado mismo apareció solo en el momento de la medición (interacción con el sistema cuántico). Posteriormente se formularon las desigualdades de Bell, sobre la base de las cuales fue posible realizar experimentos que permitieran comprobar cómo tiene sentido describir los fenómenos cuánticos: probabilísticos o deterministas. Dentro de los límites de la precisión lograda hasta ahora, se confirma que es preferible una interpretación probabilística.

• Las ondas de información son los frentes de propagación de una determinada actividad en las neuronas, pero no la actividad total, sino parcial, es decir, que tiene un cierto patrón espacial interno. Además, este patrón es único para cada concepto de información. Si asigna un identificador único al evento (el hipocampo realiza esta función) y lo distribuye por todo el espacio cortical, la intersección de su patrón (el patrón identificador del hipocampo) con las minicolumnas corticales que componen la descripción actual crea una imagen de interferencia. Esta imagen se puede recordar cambiando el estado de los grupos receptores metabotrópicos. Posteriormente, esta imagen se puede reproducir. Además, la memoria de cada evento no se localiza en ningún lugar, sino que se distribuye por todo el espacio de la corteza. Todo lugarparticipó en la descripción del evento recordado, deja una huella de un fragmento del identificador de este evento. Posteriormente, cada lugar puede "recordar" uno de los identificadores almacenados y distribuirlo por el espacio de la corteza, lo que puede hacer que todos los demás lugares donde se almacena este identificador "respondan". Como resultado, puede obtener la restauración de la imagen de información original. Esto se puede visualizar de la siguiente manera: supongamos que hay muchos sectores en el estadio. Cada sector es responsable de un determinado concepto. Habiendo especificado varios sectores, establecemos la descripción actual, que consta de varios conceptos. Todos en estos sectores deben levantar la mano derecha. Ahora comencemos una ola de ideas que codifican el identificador de la memoria actual. Todas,Quien se puso de pie y cuya mano se levantó en este caso tendrá que escribirse en un cuaderno qué sectores ven con las manos en alto. Si posteriormente se repite la imagen de los sectores, tendrán que levantarse. En este momento, una ola comenzará desde ellos, llevando el identificador de esa memoria.
La holografía física se basa en el hecho de que si ilumina una placa fotográfica y un objeto con dos fuentes de luz coherentes, entonces la interferencia de la luz de la fuente y la luz reflejada del objeto creará una imagen que, si lo recuerda, guarda información sobre todo el campo de luz. Si luego dirige la luz monocromática (preferiblemente) sobre una placa fotográfica con un holograma, se restaurará el campo de luz original. En este caso, la información se almacenará distribuida, es decir, cada sección del holograma no almacenará su propia parte de la imagen, sino toda la imagen.

• Con el fin de crear espacio para la prueba paralela de posibles hipótesis (para implementar el principio de computación de una computadora cuántica), la autoorganización espacial de la disposición de las columnas de mini detectores tiene lugar en la corteza. Debido a qué áreas se forman, cada una de ellas verifica la misma información de entrada para verificar el cumplimiento del contexto que es característico de esta área. Debido a la naturaleza distribuida de la memoria, cada área tiene acceso al volumen de memorias que necesita para funcionar. La organización espacial en sí se lleva a cabo bajo la influencia de la experiencia real e imprime en sí misma las características de lo que sucede y lo que no sucede en el mundo real. Debido a esto, es posible no probar todas las hipótesis combinatoriamente posibles, sino limitarse solo a las más probables, es decir, aquellas que se han encontrado previamente.El principio básico de tal autoorganización es que los detectores conceptuales, que se encuentran juntos en la experiencia real, deben ubicarse juntos en el espacio cortical.
Si comparamos con el estadio, supongamos que la gente no puede ver todos los sectores a la vez (con el fin de levantar la mano), sino solo unos pocos vecinos. Para que las personas puedan ver completamente la descripción que necesitan recordar, es necesario que los sectores que se pueden reunir en la descripción estén ubicados cerca. Si las descripciones son conjuntos de conceptos aleatorios, entonces en cada lugar tendrá que tener todos los conceptos posibles (que será imposible ubicar de inmediato todo en el vecindario). Pero si las descripciones contienen regularidades, es decir, algo es más común en conjunto, algo menos común, entonces, al intentarlo, puede asignar conceptos a sectores para que, en la mayoría de los casos, las descripciones encajen completamente en los sectores vecinos.
Para implementar la autoorganización, es necesario utilizar mecanismos que modelen a nivel de las conexiones neuronales (inhibición y activación) los principios de atracción y repulsión, además, de acuerdo con varios criterios y con diferentes dependencias de la distancia.
En el mundo físico, la materia adquiere todas sus formas complejas a través de la autoorganización espacial, basada en el uso de interacciones gravitacionales, electromagnéticas, fuertes y débiles .

• Los principios del comportamiento humano y animal, así como los principios del pensamiento, son la implementación de mecanismos de aprendizaje con refuerzo. El aprendizaje de refuerzo se basa en la ecuación de Bellman y el principio de optimización de Bellman. La ecuación de Bellman es un caso de tiempo discreto de un carácter más general.la ecuación de Hamilton - Jacobi - Bellman , que se llama así porque es un análogo de la ecuación de Hamilton - Jacobi conocida por la mecánica.
Si es muy simplista sobre el estadio, imagínese que la gente recuerda lo que está sucediendo, escribe algo en un cuaderno, recuerda cuándo se repite y se levanta, lanzando ondas con identificadores de recuerdos. Las ondas con estos identificadores son registradas por personas especiales en sectores. Al enterarse de la ola, ordenan a todos en el sector que levanten la mano. Entonces, recordando algo en un lugar, puede restaurar la imagen de información memorizada en todo el estadio.
Ahora imagine que las descripciones codifican la posición de los jugadores en el campo y los equipos para ellos. Es decir, todos los jugadores (del equipo propietario del estadio) miran las gradas y hacen algo solo si la imagen de manos levantadas en los sectores se ha convertido en un equipo comprensible para la acción. Un marcador cuelga sobre el estadio. Si la acción resultó ser exitosa, marcamos un gol, entonces todos en las gradas lo ven, lo ven y cuando marcamos un gol. La buena suerte y el fracaso pueden enseñar a las personas qué recordar y qué no vale la pena recordar. Para hacer esto, es suficiente ajustar sus notas en el cuaderno con respecto a la necesidad de levantarse. Esto es, en borrador, entrenamiento de refuerzo.
El comportamiento de los sistemas físicos está determinado por el principio de menor acción ( principio de Hamilton) Las leyes que determinan el comportamiento de los sistemas dinámicos (tanto en mecánica clásica como cuántica) se derivan de este principio (incluida la ecuación de Hamilton-Jacobi ).

Se dan las principales, pero no todas, las analogías, pero son suficientes para plantear la inevitable pregunta "correcta": ¿por qué el cerebro está tan estructurado, por qué los principios de su funcionamiento tienen analogías tan cercanas con las leyes del mundo físico? Lo más sorprendente es que esta pregunta tiene una respuesta muy sólida. Hace

tiempo que se conoce el llamado principio antrópico.. Su esencia es que el universo que nos rodea parece estar especialmente diseñado para que la vida biológica pueda surgir y desarrollarse en él. Se sabe que si cambias al menos algo los principios físicos de nuestro universo o incluso cambias ligeramente las constantes físicas, entonces la vida en tal universo nunca surgirá. Si hablamos de los principios básicos, cualquier cambio en ellos conduce al hecho de que lo más probable es que la materia deje de ser estable, ni las estrellas, ni las galaxias, ni los planetas podrán formarse. Cambios más sutiles "matan" la magia del carbono. El hecho es que toda la vida biológica se basa en la capacidad del carbono para formar moléculas de proteínas largas. Esta es la única sustancia que, en combinación con otros, puede crear esos ladrillos de los que están compuestos todos los seres vivos.El más mínimo cambio en la configuración del universo no solo priva al carbono de esta capacidad, sino que también lleva al hecho de que ni una sola sustancia puede formar un complejo comparable.

¿Por qué es nuestro universo así? La elegante respuesta es dada por la teoría de la "multiplicación de universos" o como también se la llama la teoría de la "selección natural cosmológica". Todo cae en su lugar si suponemos que nuestro universo no es único, sino que solo uno de los muchos universos que nacen y mueren, compiten entre sí (por ejemplo, para la materia) y, lo que es más importante, pueden transferir sus propiedades por herencia. Además, durante la transferencia de propiedades, pueden ocurrir mutaciones, que en cierta medida pueden cambiar las leyes de los universos hijos. Es decir, todos los universos, y por lo tanto los nuestros, son el resultado de la evolución colosal de los universos. Da miedo incluso imaginar cuántos universos existen y cuánto dura esta acción evolutiva.
En el proceso de esta evolución, probablemente surgieron universos más simples y universos con otras leyes, pero nuestras leyes resultaron ser mejores porque podrían crear un asunto más complejo y competitivo. Podemos suponer que la vida, y en particular la vida inteligente, es uno de los puntos clave que le da a los universos una ventaja competitiva (si tengo suficiente fuerza, escribiré un artículo sobre lo que contiene ideas interesantes). Por lo tanto, nuestro universo resultó ser solo eso, orientado hacia el surgimiento de la vida.

La teoría de la selección natural cosmológica es especialmente buena porque, en principio, permite la verificación experimental. Por ejemplo, si es posible encontrar mecanismos de herencia o mecanismos de competencia. Entonces, ahora, Stephen Hawking dice que la distribución desigual de la materia en el universo puede ser "heredada" del universo anterior, que existía antes del Big Bang. Existe el argumento de Smolin sobre el papel de los agujeros negros como una posible herramienta para el nacimiento de nuevos universos. Todos juntos, esto es algo.

Pero mi trabajo inesperadamente condujo a una prueba bastante convincente (al menos para mí) de la teoría de la evolución de los universos. Sobre el universo, solo podemos suponer que este es el resultado de la evolución y la selección natural entre otros universos. Sobre el cerebro, sabemos con certeza que este es el resultado de la evolución biológica y la selección natural biológica. Tanto el cerebro como el universo durante el proceso evolutivo tuvieron problemas similares. Era necesario que el Universo creara un mecanismo que permitiera la aparición de materia compleja que realizara propiedades extraordinarias. Este mecanismo era la mecánica cuántica, que resultó ser órdenes de magnitud más interesantes que los sistemas deterministas simples. Sin embargo, el cerebro necesitaba percibir y procesar información no trivial generada por el mundo circundante. Y resultó que los principios son similares a la mecánica cuántica,es decir, el uso de conceptos ambiguos y la operación de elegir un significado comparable al colapso de la función de onda ha dotado al cerebro de capacidades que son muchas veces mayores que los sistemas "deterministas" (como las máquinas de Turing).

Esto implica. Dado que los principios inherentes al cerebro son el resultado de la evolución y la selección natural, y si los principios inherentes al universo son similares a los principios utilizados por el cerebro, lo más probable es que los principios y leyes del universo también sean el resultado de la evolución y la selección natural.

En realidad, ahora mi historia trata sobre cómo está estructurado el cerebro y cómo implementa principios similares a las leyes de nuestro universo a nivel de las neuronas biológicas.

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