Otak. Memori holografik. Biologi komputasi kuantum

Mereka mengatakan bahwa untuk mengajukan pertanyaan dengan benar, Anda perlu tahu sebagian besar jawabannya. Pertanyaan utama yang biasanya ditanyakan tentang otak adalah bagaimana cara kerjanya dan apa prinsip kerjanya? Pertanyaannya bagus dan cukup benar. Tapi seandainya kita berhasil menemukan "sebagian besar jawabannya." Misalkan suatu teori telah muncul yang secara eksklusif masuk akal menjelaskan fungsi otak. Pertanyaan apa yang sekarang akan "benar"?

Saya mengembangkan model yang saya sebut gelombang pola. Tampak bagi saya bahwa di dalamnya, akhirnya, adalah mungkin untuk sepenuhnya memahami bagaimana otak bekerja. Tentu saja, ini adalah keyakinan pribadi saya, dan itu pasti bias dan bias. Tapi sekarang bukan tentang itu. Beberapa hari yang lalu saya kebetulan berbicara tentang model gelombang-pola di sebuah seminar di Pavlov Institute of Physiology. Saya sarankan menonton rekaman pidato ini di akhir posting ini. Presentasi tersebut mengandung banyak hal baru dibandingkan dengan materi-materi sebelumnya yang saya paparkan tentang Habr dan Giktaym, dan ini mungkin menarik bagi mereka yang melacak kemajuan penelitian. Tetapi mungkin saja akan lebih menarik untuk menonton presentasi mulai dari akhir, yaitu, mencari tahu jawaban atas pertanyaan yang sangat "benar" itu.

Biarkan saya mengingatkan Anda bahwa model gelombang pola adalah upaya untuk menjelaskan bagaimana otak bekerja tidak hanya dengan menggambarkan algoritma tertentu, tetapi juga dengan menunjukkan bagaimana mereka diterapkan secara biologis. Di satu sisi, ini sangat menyulitkan tugas, karena secara signifikan membatasi pelarian imajinasi. Tetapi di sisi lain, melalui neurofisiologi memberikan sejumlah besar petunjuk tentang arsitektur otak yang sebenarnya, yang, bagaimanapun, masih perlu ditafsirkan dengan benar. Jadi, ternyata tidak hanya banyak, tetapi semua prinsip dasar yang merupakan karakteristik otak (menurut model yang diusulkan) secara mengejutkan mirip dengan hukum dan prinsip yang dipatuhi oleh dunia fisik di sekitar kita. Sebagian besar semua ide yang membentuk mekanika kuantum telah terwujud di otak.
Kisah tentang model itu sendiri akan ada di pidato, dan sekarang saya akan secara singkat menyebutkan kebetulan utama:

• Informasi menyebar melalui ruang otak dalam gelombang aktivitas neuron. Gelombang pada saat yang sama bukan hanya gangguan yang ditransmisikan lebih lanjut, tetapi penyebaran pola aktivitas tertentu, individu untuk setiap konsep yang ditransmisikan. Ini bisa dibayangkan dengan mudah. Ingat gelombang yang mengalir di podium stadion. Semua orang bangun ketika gelombang depan mencapai mereka dan duduk setelah satu detik, yang lain. Ini hanya gelombang. Sekarang bayangkan Anda harus berdiri hanya jika tetangga tertentu sudah berdiri di dekatnya (misalnya, tiga dari dua puluh orang duduk di dekatnya). Dan anggaplah Anda memiliki daftar kombinasi yang harus Anda tanggapi. Katakanlah semua orang di stadion memiliki daftar sendiri. Kemudian, bukan hanya gelombang solid yang akan berjalan, tetapi pola terdiri dari mereka yang berdiri, mengenali kombinasi dari daftar mereka.Jika Anda melihat desain seperti itu dari jarak yang sangat jauh, maka kita hanya akan melihat gelombang yang mengalir. Tetapi jika Anda melihat setiap tempat tertentu, Anda akan melihat pola orang-orang tertentu yang telah bangkit.

Skema ini segera mengimplementasikan tiga prinsip fisik mendasar:

1. Dualitas gelombang-partikel. Partikel fisik adalah partikel dan gelombang. Bergantung pada situasinya, mereka dapat memamerkan kedua properti ini. Gelombang informasi adalah gelombang jika Anda melihat distribusinya, tetapi di setiap tempat tertentu yang dilewatinya, itu adalah pola (pola) tertentu yang unik.
2. Prinsip Huygens-Fresnel . Setiap tempat ruang di mana gelombang depan telah mencapai dapat dianggap sebagai sumber titik gelombang baru. Penambahan gelombang dari semua sumber memungkinkan kita untuk menggambarkan bagaimana pola distribusi akhir akan terlihat. Dalam gelombang informasi, setiap pola adalah sumber radiasi gelombang (ini memaksa tetangga yang belum bangkit untuk melanjutkan pola tertentu).
3. . , . , . , , . , . , , . , , , , .

• Transmisi informasi dalam satu zona korteks (jangan bingung dengan proyeksi antar zona) tidak terjadi dari satu tempat ke tempat lain, tetapi dari muka gelombang yang menyimpang dari sumber, yang membawa informasi ke seluruh zona. Setiap tempat di otak dapat memicu gelombang informasi, karena ini cukup untuk mereproduksi di tempat ini pola aktivitas yang mirip dengan apa yang terjadi di dalamnya ketika gelombang yang sesuai lewat. Ini mirip dengan bagaimana di dunia fisik, gelombang elektromagnetik membawa informasi tidak tepat sasaran, tetapi ke seluruh ruang. Setiap tempat di ruang angkasa dapat mengambil gelombang apa pun. Anda dapat menjalankannya dari mana saja. Stasiun radio disiarkan di udara sehingga berpotensi pemilik radio dapat menerima siarannya.

• Interaksi kimia antara neuron dilakukan dengan memancarkan sebagian zat dari gelembung khusus - neurotransmiter. Ada kuantum minimum interaksi semacam itu - ini adalah emisi satu gelembung dengan molekul. Bubbles (vesikel) memiliki jumlah molekul yang konstan, yang dijaga cukup ketat. Di dalam gelembung itu bukan satu neurotransmitter, tetapi campuran neurotransmiter dan neuromodulator. Koktail ini memungkinkan Anda untuk membedakan sinyal dari satu neuron dari sinyal yang lain dan menciptakan mekanisme sederhana yang, dengan kehadiran seperangkat neurotransmitter tertentu, memungkinkan Anda untuk memahami bahwa semua neuron yang diperlukan telah bekerja.
Di dunia fisik ada unit interaksi minimal - kuantum. Dalam mekanika kuantum, kuantitas harus mengambil nilai diskrit, yaitu kuantisasi. DIdalam model standar, semua materi terdiri dari 12 bidang kuantum fundamental spin ½, kuanta bidang ini adalah partikel fermion mendasar. Semua partikel lain dan pembawa interaksi adalah kombinasi fermion tertentu.

• Otak beroperasi dengan konsep-konsep yang tidak memiliki makna yang jelas. Misalnya, setiap kata dalam bahasa alami memiliki banyak interpretasi, tergantung pada konteksnya. Setiap konsep memiliki serangkaian nilai yang dapat diterima. Jika informasi dijelaskan oleh serangkaian konsep, maka interpretasi yang mungkin adalah superposisi dari semua nilai yang mungkin untuk setiap konsep yang termasuk dalam deskripsi. Pilihan makna adalah pilihan untuk setiap konsep yang termasuk dalam deskripsi interpretasi tertentu, sementara masing-masing konsep menangkap nilai tertentu dari spektrum kemungkinan untuk itu. Demikian pula, partikel fisik mungkin tidak berada dalam keadaan arbitrer, tetapi hanya dalam diizinkan, yang membentuk spektrum dari keadaan yang diizinkan. Sistem kuantum dari beberapa partikel memiliki spektrum keadaan yang diizinkan, yang merupakan superposisi dari keadaan yang diizinkan dari partikel penyusunnya.Pada saat pengukuran, sistem kuantum memilih salah satu dari keadaan yang diizinkan, dengan masing-masing partikel mengambil keadaan tunggal dari spektrum yang tersedia untuknya.

• Informasi tidak memiliki arti khusus sampai salah satu interpretasi yang mungkin dipilih. Pada saat yang sama, tidak dapat dikatakan bahwa ada suatu perasaan, tetapi kita belum mengetahuinya. Informasi yang sama dapat ditafsirkan secara berbeda oleh orang yang berbeda atau oleh satu orang, tetapi dalam keadaan yang berbeda.
Paradoks Einstein - Podolsky - Rosen ( Paradoks EPR) pada suatu waktu menimbulkan pertanyaan apakah sistem kuantum memiliki keadaan pasti sebelum momen pengukuran, tetapi kami tidak mengetahuinya, atau keadaan itu sendiri hanya muncul pada saat pengukuran (interaksi dengan sistem kuantum). Kemudian, ketidaksetaraan Bell dirumuskan, atas dasar yang memungkinkan untuk menghasilkan eksperimen yang memungkinkan seseorang untuk memeriksa bagaimana masuk akal untuk menggambarkan fenomena kuantum: probabilistik atau deterministik. Dalam batas akurasi yang dicapai sejauh ini, dipastikan bahwa interpretasi probabilistik lebih disukai.

• Gelombang informasi adalah bidang propagasi dari aktivitas tertentu pada neuron, tetapi bukan aktivitas total, tetapi sebagian, yaitu, memiliki pola spasial internal tertentu. Selain itu, pola ini unik untuk setiap konsep informasi. Jika Anda menetapkan pengidentifikasi unik untuk acara tersebut (hippocampus melakukan fungsi ini) dan mendistribusikannya ke seluruh ruang kortikal, maka perpotongan polanya (pola pengenal hippocampal) dengan minicolumns kortikal yang membentuk deskripsi saat ini menciptakan gambar interferensi. Gambar ini dapat diingat dengan mengubah keadaan kelompok penerima metabotropik. Selanjutnya, gambar ini dapat direproduksi. Selain itu, memori setiap peristiwa tidak terlokalisasi di satu tempat, tetapi didistribusikan di seluruh ruang korteks. Setiap tempatberpartisipasi dalam deskripsi acara yang diingat, meninggalkan jejak fragmen pengidentifikasi acara ini. Setiap tempat selanjutnya dapat "mengingat" salah satu pengidentifikasi yang disimpan dan menyebarkannya ke ruang korteks, yang dapat membuat semua tempat lain di mana pengidentifikasi ini disimpan "merespons". Akibatnya, Anda bisa mendapatkan pemulihan gambar informasi asli. Ini dapat divisualisasikan sebagai berikut: misalkan ada banyak sektor di stadion. Setiap sektor bertanggung jawab atas konsep tertentu. Setelah menetapkan beberapa sektor, kami menetapkan deskripsi saat ini, yang terdiri dari beberapa konsep. Setiap orang di sektor ini harus mengangkat tangan kanan mereka. Sekarang mari kita mulai gelombang wawasan yang menyandikan pengenal memori saat ini. Semua,siapa pun yang berdiri dan yang tangannya terangkat dalam hal ini harus menulis kepada diri mereka sendiri di buku catatan sektor mana yang mereka lihat dengan tangan terangkat. Jika kemudian gambar sektor berulang, maka mereka harus bangun. Pada saat ini, gelombang akan mulai dari mereka, bertuliskan pengidentifikasi dari memori itu sendiri.
Holografi fisik didasarkan pada fakta bahwa jika Anda menerangi pelat foto dan objek dengan dua sumber cahaya yang koheren, maka gangguan cahaya dari sumber dan cahaya yang dipantulkan dari objek akan membuat gambar yang jika Anda ingat menyimpan informasi tentang seluruh bidang cahaya. Jika Anda mengarahkan cahaya monokrom (lebih disukai) ke pelat fotografi dengan hologram, bidang cahaya asli akan dipulihkan. Dalam hal ini, informasi akan disimpan didistribusikan, yaitu, setiap bagian dari hologram tidak akan menyimpan bagian gambarnya sendiri, tetapi keseluruhan gambar.

• Untuk membuat ruang untuk pengujian paralel terhadap hipotesis yang mungkin (untuk menerapkan prinsip komputasi komputer kuantum), pengaturan-diri spasial dari pengaturan kolom detektor mini dilakukan di korteks. Karena bidang apa yang terbentuk, masing-masing memeriksa informasi input yang sama untuk kepatuhan dengan konteks yang menjadi ciri khas wilayah ini. Karena sifat memori yang terdistribusi, setiap area memiliki akses ke volume memori yang diperlukan untuk bekerja. Organisasi spasial itu sendiri dilakukan di bawah pengaruh pengalaman nyata dan membekas pada dirinya sendiri fitur dari apa yang terjadi dan apa yang tidak terjadi di dunia nyata. Karena hal ini, adalah mungkin untuk tidak menguji semua hipotesis yang mungkin secara kombinatorial, tetapi untuk membatasi diri hanya pada hipotesis yang paling mungkin, yaitu, hipotesis yang sebelumnya telah ditemukan.Prinsip dasar pengorganisasian diri semacam itu adalah detektor konsep, yang ditemukan bersama dalam pengalaman nyata, harus ditempatkan bersama di ruang kortikal.
Jika kita bandingkan dengan stadion, maka anggaplah bahwa orang tidak dapat melihat semua sektor sekaligus (dengan tujuan mengangkat tangan), tetapi hanya beberapa yang bertetangga. Agar orang dapat sepenuhnya melihat deskripsi yang perlu mereka ingat, perlu bahwa sektor-sektor yang dapat bertemu bersama dalam deskripsi berada di dekatnya. Jika deskripsi adalah serangkaian konsep acak, maka di setiap tempat Anda harus memiliki semua konsep yang mungkin (yang tidak mungkin untuk segera menempatkan semuanya di lingkungan). Tetapi jika deskripsi berisi keteraturan, yaitu, sesuatu yang lebih umum bersama, sesuatu yang kurang umum, maka, dengan mencoba, Anda dapat menetapkan konsep ke sektor sehingga dalam kebanyakan kasus deskripsi akan cocok sepenuhnya ke sektor tetangga.
Untuk menerapkan swa-organisasi, diperlukan untuk menggunakan mekanisme yang memodelkan pada tingkat koneksi saraf (penghambatan dan aktivasi) prinsip-prinsip daya tarik dan tolakan, apalagi, sesuai dengan beberapa kriteria dan dengan ketergantungan yang berbeda pada jarak.
Dalam dunia fisik, materi mengambil semua bentuknya yang kompleks melalui pengorganisasian diri spasial, berdasarkan penggunaan interaksi gravitasi, elektromagnetik, kuat dan lemah .

• Prinsip-prinsip perilaku manusia dan hewan, serta prinsip-prinsip berpikir, adalah penerapan mekanisme pembelajaran dengan penguatan. Pembelajaran penguatan didasarkan pada persamaan Bellman dan prinsip optimisasi Bellman. Persamaan Bellman adalah kasus waktu diskrit yang lebih umumpersamaan Hamilton - Jacobi - Bellman , yang dinamakan demikian karena merupakan analog dari persamaan Hamilton - Jacobi, yang diketahui dari mekanika.
Jika itu sangat sederhana tentang stadion, maka bayangkan orang mengingat apa yang terjadi, menulis sesuatu di buku catatan, mengingat ketika itu diulang, dan bangun, dengan demikian meluncurkan gelombang dengan pengidentifikasi ingatan. Gelombang dengan pengidentifikasi ini direkam oleh orang-orang khusus di sektor. Setelah mempelajari gelombang, mereka memerintahkan semua orang di sektor ini untuk mengangkat tangan. Jadi, mengingat sesuatu di satu tempat, Anda dapat mengembalikan gambar informasi yang dihafal di seluruh stadion.
Sekarang bayangkan bahwa deskripsi menyandikan posisi para pemain di lapangan dan tim untuk mereka. Artinya, semua pemain (dari tim yang memiliki stadion) melihat tribun dan melakukan sesuatu hanya jika gambar tangan yang diangkat di sektor telah berkembang menjadi tim yang dapat dimengerti untuk beraksi. Papan skor tergantung di atas stadion. Jika aksi ternyata berhasil, kami mencetak gol, maka semua orang di tribun melihatnya, mereka melihatnya dan ketika kami mencetak gol. Keberuntungan dan kegagalan dapat mengajarkan orang apa yang harus diingat, dan apa yang tidak layak untuk diingat. Untuk melakukan ini, cukup dengan menyesuaikan catatan mereka di notebook mengenai perlunya bangun. Ini, dalam konsep, pelatihan penguatan.
Perilaku sistem fisik ditentukan oleh prinsip tindakan paling tidak ( prinsip Hamilton) Hukum yang menentukan perilaku sistem dinamik (baik dalam mekanika klasik maupun kuantum) diturunkan dari prinsip ini (termasuk persamaan Hamilton - Jacobi ).

Analogi dasar, tetapi tidak semua, diberikan, tetapi cukup untuk mengajukan pertanyaan "benar" yang tak terhindarkan: mengapa otak sedemikian terstruktur, mengapa prinsip-prinsip operasinya memiliki analogi yang begitu dekat dengan hukum-hukum dunia fisik? Yang paling mengejutkan, pertanyaan ini memiliki jawaban yang sangat kuat.

Apa yang disebut prinsip antropik telah lama dikenal. Esensinya adalah bahwa alam semesta di sekitar kita tampaknya dirancang khusus sehingga kehidupan biologis dapat muncul dan berkembang di dalamnya. Diketahui bahwa jika Anda mengubah setidaknya sesuatu prinsip fisik alam semesta kita atau bahkan sedikit mengubah konstanta fisik, maka kehidupan di alam semesta seperti itu tidak akan pernah muncul. Jika kita berbicara tentang prinsip-prinsip dasar, maka setiap perubahan di dalamnya mengarah pada fakta bahwa kemungkinan besar materi akan berhenti menjadi stabil, baik bintang, maupun galaksi, maupun planet tidak akan dapat terbentuk. Perubahan yang lebih halus “membunuh” keajaiban karbon. Faktanya adalah bahwa semua kehidupan biologis didasarkan pada kemampuan karbon untuk membentuk molekul protein yang panjang. Ini adalah satu-satunya zat yang dapat dikombinasikan dengan yang lain untuk menciptakan batu bata yang darinya semua makhluk hidup tersusun.Perubahan sekecil apa pun dalam pengaturan alam semesta tidak hanya menghilangkan karbon dari kemampuan ini, tetapi juga mengarah pada fakta bahwa tidak ada satu zat pun yang dapat membentuk apa pun yang kompleknya sebanding.

Mengapa alam semesta kita seperti ini? Jawaban yang elegan diberikan oleh teori "multiplikasi alam semesta" atau sebagaimana juga disebut teori "seleksi alam kosmologis." Segala sesuatu jatuh ke tempatnya jika kita berasumsi bahwa alam semesta kita tidak unik, tetapi hanya satu dari banyak alam semesta yang dilahirkan dan mati, bersaing satu sama lain (misalnya, untuk materi) dan yang paling penting mereka dapat mentransfer sifat-sifat mereka dengan warisan. Selain itu, selama transfer properti, mutasi dapat terjadi, yang sampai batas tertentu dapat mengubah hukum alam semesta anak perempuan. Yaitu, semua alam semesta, dan karenanya alam semesta kita, adalah hasil dari evolusi kolosal alam semesta. Menakutkan bahkan membayangkan berapa banyak alam semesta lain yang ada dan berapa lama tindakan evolusi ini
Dalam proses evolusi ini, lebih mungkin, alam semesta yang lebih sederhana dan alam semesta dengan hukum lain muncul, tetapi hukum kita ternyata lebih baik karena mereka dapat menciptakan materi yang lebih kompleks dan kompetitif. Kita dapat mengasumsikan bahwa kehidupan, dan khususnya, kehidupan yang cerdas, adalah salah satu poin kunci yang memberikan keunggulan kompetitif kepada alam semesta (jika saya memiliki kekuatan yang cukup, saya akan menulis artikel tentang apa yang berisi ide-ide menarik). Karena itu, alam semesta kita ternyata hanya itu, yang diarahkan pada munculnya kehidupan.

Teori seleksi alam kosmologis sangat baik karena, pada prinsipnya, memungkinkan verifikasi eksperimental. Misalnya, apakah mungkin untuk menemukan mekanisme pewarisan atau mekanisme persaingan. Jadi, sudah sekarang, Stephen Hawking mengatakan bahwa distribusi materi yang tidak merata di alam semesta dapat "diwariskan" dari alam semesta sebelumnya, yang ada sebelum big bang. Ada argumen Smolin tentang peran lubang hitam sebagai alat yang memungkinkan untuk kelahiran alam semesta baru. Secara keseluruhan, ini adalah sesuatu.

Tetapi pekerjaan saya secara tak terduga menghasilkan bukti teori evolusi alam semesta yang cukup meyakinkan (setidaknya bagi saya). Tentang alam semesta, kita hanya dapat berasumsi bahwa ini adalah hasil evolusi dan seleksi alam di antara alam semesta lainnya. Tentang otak, kita tahu pasti bahwa ini adalah hasil dari evolusi biologis dan seleksi alam biologis. Baik otak dan alam semesta selama proses evolusi memiliki masalah yang sama. Penting bagi Semesta untuk menciptakan mekanisme yang memungkinkan munculnya materi kompleks yang mewujudkan sifat luar biasa. Mekanisme ini adalah mekanika kuantum, yang ternyata menjadi urutan besarnya lebih menarik daripada sistem deterministik sederhana. Namun, otak perlu memahami dan memproses informasi non-sepele yang dihasilkan oleh dunia sekitarnya. Dan ternyata prinsipnya mirip dengan mekanika kuantum,yaitu, penggunaan konsep ambigu dan operasi memilih makna yang sebanding dengan runtuhnya fungsi gelombang telah memberkahi otak dengan kemampuan yang berkali-kali lebih besar daripada sistem "deterministik" (seperti mesin Turing).

Ini menyiratkan. Karena prinsip-prinsip yang melekat dalam otak adalah hasil dari evolusi dan seleksi alam, dan jika prinsip-prinsip yang melekat dalam alam semesta mirip dengan prinsip-prinsip yang digunakan oleh otak, maka kemungkinan besar prinsip dan hukum alam semesta juga merupakan hasil evolusi dan seleksi alam.

Sebenarnya, sekarang cerita saya adalah tentang bagaimana otak terstruktur dan bagaimana ia menerapkan prinsip-prinsip yang mirip dengan hukum alam semesta kita pada tingkat neuron biologis.

Source: https://habr.com/ru/post/id384461/