Cérebro. Memória holográfica. Biologia da computação quântica

Eles dizem que para fazer uma pergunta corretamente, você precisa saber a maior parte da resposta. A principal pergunta que geralmente se faz sobre o cérebro é como ele funciona e quais são os princípios de seu trabalho? A pergunta é boa e bastante correta. Mas suponha que tenhamos conseguido descobrir "a maior parte da resposta". Suponha que tenha surgido uma teoria que descreva exclusivamente de maneira plausível o funcionamento do cérebro. Que pergunta será agora "certa"?

Estou desenvolvendo um modelo que chamo de onda padrão. Parece-me que, finalmente, foi possível entender completamente como, no entanto, o cérebro funciona. Claro, essa é minha convicção pessoal, e certamente é tendenciosa e tendenciosa. Mas agora não é sobre isso. Alguns dias atrás, conversei sobre o modelo de ondas-padrão em um seminário no Instituto de Fisiologia Pavlov. Sugiro assistir a uma gravação deste discurso no final deste post. A apresentação contém muitas novidades em comparação com os materiais anteriores que expus em Habr e Giktaym, e isso pode ser interessante para quem acompanha o andamento da pesquisa. Mas é possível que seja mais interessante assistir à apresentação a partir do final, ou seja, descobrir a resposta para essa "pergunta certa".

Deixe-me lembrá-lo de que o modelo de onda padrão é uma tentativa de explicar como o cérebro funciona não apenas descrevendo certos algoritmos, mas também mostrando como eles são implementados biologicamente. Por um lado, isso complica bastante a tarefa, pois limita significativamente o vôo da imaginação. Mas, por outro lado, através da neurofisiologia dá uma enorme quantidade de pistas sobre a arquitetura real do cérebro, que, no entanto, ainda precisam ser interpretadas corretamente. Então, descobriu-se que não apenas muitos, mas todos os princípios básicos que são característicos do cérebro (de acordo com o modelo proposto) são surpreendentemente semelhantes às leis e princípios aos quais o mundo físico que nos rodeia obedece. Principalmente todas as idéias que compõem a mecânica quântica foram realizadas no cérebro.
A história sobre o modelo em si estará no discurso, e agora vou listar brevemente as principais coincidências:

• A informação se espalha pelo espaço do cérebro em ondas de atividade neuronal. A onda ao mesmo tempo não é apenas um distúrbio que é transmitido ainda mais, mas a propagação de um certo padrão de atividade, individual para cada conceito transmitido. Isso pode ser facilmente imaginado. Lembre-se da onda que corre no pódio do estádio. Todo mundo se levanta quando a frente da onda chega até eles e se senta depois de um segundo, outro. Isto é apenas uma onda. Agora imagine que você deve se levantar apenas se alguns vizinhos já estiverem próximos (por exemplo, três em cada vinte sentados próximos). E suponha que você tenha uma lista de combinações às quais deve responder. Digamos que todos no estádio tenham sua própria lista. Então, não apenas uma onda sólida ocorrerá, mas um padrão formado por aqueles que se levantaram, reconhecendo uma combinação de sua lista.Se você observar esse projeto a uma grande distância, veremos apenas uma onda em execução. Mas se você olhar para cada lugar específico, verá um padrão de certas pessoas que se levantaram.

Este esquema implementa imediatamente três princípios físicos fundamentais:

1. Dualidade onda-partícula. Partículas físicas são partículas e ondas. Dependendo das circunstâncias, eles podem exibir essas duas propriedades. Uma onda de informação é uma onda se você observar sua distribuição, mas em cada local específico por onde passa, é um certo padrão (padrão) único.
2. Princípio de Huygens-Fresnel . Cada local do espaço onde a frente da onda atingiu pode ser considerado como fonte pontual de uma nova onda. A adição de ondas de todas as fontes nos permite descrever como será o padrão de distribuição final. Na onda de informação, cada padrão é uma fonte de radiação das ondas (força os vizinhos que ainda não subiram a continuar um padrão específico).
3. . , . , . , , . , . , , . , , , , .

• A transmissão de informações dentro de uma zona do córtex (não confunda com as projeções entre as zonas) não ocorre de um lugar para outro, mas de uma frente de onda divergente da fonte, que transporta informações por toda a zona. Qualquer lugar no cérebro pode desencadear ondas de informação; para isso, basta reproduzir nesse local um padrão de atividade semelhante ao que ocorre quando a onda correspondente passa. É semelhante a como, no mundo físico, as ondas eletromagnéticas carregam informações não direcionadas, mas por todo o espaço. Qualquer lugar no espaço pode sofrer qualquer onda. Você pode executá-lo de qualquer lugar. As estações de rádio transmitem no ar para que potencialmente qualquer proprietário do rádio possa receber suas transmissões.

• A interação química entre neurônios é realizada emitindo partes de substâncias de bolhas especiais - neurotransmissores. Existe um quantum mínimo de tal interação - esta é a emissão de uma bolha com moléculas. Bolhas (vesículas) têm um número constante de moléculas, o que é rigorosamente mantido. Dentro da bolha não há um neurotransmissor, mas um coquetel de neurotransmissores e neuromoduladores. Esse coquetel permite distinguir os sinais de um neurônio dos sinais de outro e criar um mecanismo simples que, pela presença de um certo conjunto de neurotransmissores, permite entender que todos os neurônios necessários funcionaram.
No mundo físico, há uma unidade mínima de interação - um quantum. Na mecânica quântica, as quantidades devem assumir valores discretos, isto é, quantizar. ATno modelo padrão, toda a matéria consiste em 12 campos quânticos fundamentais de spin ½; os quanta desses campos são partículas fundamentais de férmion. Todas as outras partículas e transportadores de interação são certas combinações de férmions.

• O cérebro opera com conceitos que não têm um significado claro. Por exemplo, qualquer palavra em um idioma natural tem muitas interpretações, dependendo do contexto. Cada conceito tem uma faixa de valores aceitáveis. Se as informações são descritas por um conjunto de conceitos, possíveis interpretações são uma superposição de todos os valores possíveis para cada conceito incluído na descrição. A escolha do significado é uma escolha para cada conceito incluído na descrição de uma certa interpretação, enquanto cada conceito captura um certo valor do espectro possível para ele. Da mesma forma, uma partícula física pode não estar em estados arbitrários, mas apenas em permitidos, que formam o espectro de estados permitidos. Um sistema quântico de várias partículas possui um espectro de estados permitidos, que é uma superposição dos estados permitidos de suas partículas constituintes.No momento da medição, o sistema quântico seleciona um dos estados permitidos, com cada uma das partículas assumindo um único estado do espectro disponível.

• As informações não têm um significado específico até que uma das possíveis interpretações seja selecionada. Ao mesmo tempo, não se pode dizer que há um sentido, mas simplesmente ainda não o sabemos. A mesma informação pode ser interpretada de maneira diferente por pessoas diferentes ou por uma pessoa, mas em circunstâncias diferentes.
O paradoxo de Einstein - Podolsky - Rosen ( paradoxo da EPR) ao mesmo tempo levantou a questão de saber se o sistema quântico tinha algum estado definido antes do momento da medição, mas simplesmente não o conhecíamos ou o próprio estado apareceu apenas no momento da medição (interação com o sistema quântico). Posteriormente, foram formuladas as desigualdades de Bell, com base nas quais foi possível inventar experimentos que permitem verificar como faz sentido descrever fenômenos quânticos: probabilísticos ou determinísticos. Dentro dos limites da precisão alcançada até o momento, confirma-se que uma interpretação probabilística é preferível.

• Ondas de informação são as frentes de propagação de uma determinada atividade nos neurônios, mas não a atividade total, mas parcial, ou seja, tendo um certo padrão espacial interno. Além disso, esse padrão é único para cada conceito de informação. Se você atribuir um identificador exclusivo ao evento (o hipocampo executa essa função) e distribuí-lo pelo espaço cortical, a interseção de seu padrão (o padrão do identificador do hipocampo) com as minicolunas corticais que compõem a descrição atual cria uma imagem de interferência. Essa imagem pode ser lembrada alterando o estado dos aglomerados receptivos metabotrópicos. Posteriormente, esta imagem pode ser reproduzida. Além disso, a memória de cada evento não está localizada em nenhum lugar, mas distribuída por todo o espaço do córtex. Todo lugarparticipou da descrição do evento lembrado, deixa uma impressão de um fragmento do identificador desse evento. Cada local pode subsequentemente "lembrar" um dos identificadores armazenados e espalhá-lo pelo espaço do córtex, o que pode fazer com que todos os outros locais onde esse identificador está armazenado "respondam". Como resultado, você pode obter a restauração da imagem da informação original. Isso pode ser visualizado da seguinte forma: suponha que haja muitos setores no estádio. Cada setor é responsável por um certo conceito. Tendo especificado vários setores, definimos a descrição atual, consistindo em vários conceitos. Todos esses setores devem levantar a mão direita. Agora vamos começar uma onda de informações que codificam o identificador da memória atual. Todos,quem se levantou e cuja mão foi levantada nesse caso terá que escrever para si mesmo em um caderno quais setores eles vêem com as mãos para cima. Se, posteriormente, a imagem dos setores se repetir, eles terão que se levantar. Nesse momento, uma onda começará a partir deles, carregando o identificador dessa mesma memória.
A holografia física baseia-se no fato de que, se você iluminar uma placa fotográfica e um objeto com duas fontes de luz coerentes, a interferência da luz da fonte e a luz refletida no objeto criará uma imagem que, se você se lembrar, salva informações sobre todo o campo de luz. Se você direcionar a luz monocromática (de preferência) para uma placa fotográfica com holograma, o campo de luz original será restaurado. Nesse caso, as informações serão armazenadas distribuídas, ou seja, cada seção do holograma não armazenará sua própria parte da imagem, mas a imagem inteira.

• A fim de criar espaço para o teste paralelo de possíveis hipóteses (para implementar o princípio de computação de um computador quântico), a auto-organização espacial do arranjo de colunas de mini-detectores ocorre no córtex. Devido a quais áreas são formadas, cada uma delas verifica as mesmas informações de entrada quanto à conformidade com o contexto característico dessa área. Devido à natureza distribuída da memória, cada área tem acesso ao volume de memórias que precisa para funcionar. A própria organização espacial é realizada sob a influência da experiência real e imprime em si as características do que acontece e o que não acontece no mundo real. Por isso, é possível não testar todas as hipóteses combinatoriamente possíveis, mas limitar-se apenas às mais prováveis, ou seja, aquelas que foram encontradas anteriormente.O princípio básico dessa auto-organização é que os detectores de conceito, encontrados juntos na experiência real, devem estar localizados juntos no espaço cortical.
Se compararmos com o estádio, suponha que as pessoas não possam ver todos os setores de uma só vez (com o objetivo de levantar as mãos), mas apenas alguns vizinhos. Para que as pessoas possam ver completamente a descrição que precisam se lembrar, é necessário que os setores que podem ser reunidos na descrição estejam localizados nas proximidades. Se as descrições forem conjuntos aleatórios de conceitos, em todos os lugares você terá que ter todos os conceitos possíveis (que serão impossíveis de colocar imediatamente tudo na vizinhança). Mas se as descrições contiverem regularidades, ou seja, algo é mais comum em conjunto, algo menos comum, então, ao tentar, você pode atribuir conceitos a setores para que, na maioria dos casos, as descrições se ajustem completamente aos setores vizinhos.
Para implementar a auto-organização, é necessário o uso de mecanismos que modelem no nível das conexões neurais (inibição e ativação) os princípios de atração e repulsão, além disso, de acordo com vários critérios e com diferentes dependências da distância.
No mundo físico, a matéria assume todas as suas formas complexas através da auto-organização espacial, baseada no uso de interações gravitacionais, eletromagnéticas, fortes e fracas .

• Os princípios do comportamento humano e animal, bem como os princípios do pensamento, são a implementação de mecanismos de aprendizado com reforço. O aprendizado por reforço é baseado na equação de Bellman e no princípio de otimização de Bellman. A equação de Bellman é um caso temporal discreto de umaa equação de Hamilton - Jacobi - Bellman , assim chamada porque é um análogo da equação de Hamilton - Jacobi conhecida da mecânica.
Se o estádio for muito simplista, imagine que as pessoas se lembrem do que está acontecendo, escrevendo algo em um caderno, lembrem-se de quando é repetido e se levantem, lançando ondas com identificadores de memórias. As ondas com esses identificadores são registradas por pessoas especiais em setores. Ao aprender a onda, eles ordenam que todos no setor levantem a mão. Assim, lembrando-se de algo em um só lugar, você pode restaurar a imagem das informações memorizadas em todo o estádio.
Agora imagine que as descrições codificam a posição dos jogadores no campo e as equipes para eles. Ou seja, todos os jogadores (da equipe que possui o estádio) olham para as arquibancadas e fazem alguma coisa apenas se a imagem de mãos levantadas nos setores se tornar uma equipe de ação compreensível. Um placar paira sobre o estádio. Se a ação acabou sendo bem-sucedida, marcamos um gol, então todos nas arquibancadas veem, veem e quando marcamos um gol. Boa sorte e fracasso podem ensinar às pessoas o que lembrar e o que não vale a pena lembrar. Para fazer isso, basta ajustar as anotações no caderno em relação à necessidade de se levantar. Este é, em rascunho, o treinamento de reforço.
O comportamento dos sistemas físicos é determinado pelo princípio da menor ação ( princípio de Hamilton) Leis que determinam o comportamento de sistemas dinâmicos (tanto na mecânica clássica quanto na quântica) são derivadas desse princípio (incluindo a equação de Hamilton-Jacobi ).

As principais analogias, mas não todas, são dadas, mas são suficientes para levantar a inevitável questão "correta": por que o cérebro é tão estruturado, por que os princípios de sua operação têm analogias tão estreitas com as leis do mundo físico? Surpreendentemente, essa pergunta tem uma resposta muito robusta.

O chamado princípio antrópico é conhecido há muito tempo. Sua essência é que o universo que nos rodeia parece ser especialmente projetado para que a vida biológica possa surgir e se desenvolver nele. Sabe-se que se você mudar pelo menos alguma coisa os princípios físicos do nosso universo ou até mudar um pouco as constantes físicas, a vida nesse universo nunca surgirá. Se falarmos sobre os princípios básicos, qualquer mudança neles leva ao fato de que, muito provavelmente, a matéria deixará de ser estável, nem estrelas, nem galáxias, nem planetas serão capazes de se formar. Mudanças mais sutis "matam" a magia do carbono. O fato é que toda a vida biológica se baseia na capacidade do carbono em formar moléculas proteicas longas. Essa é a única substância capaz de, em combinação com outras pessoas, criar aqueles tijolos dos quais todos os seres vivos são compostos.A menor mudança nas configurações do universo não apenas priva o carbono dessa capacidade, mas também leva ao fato de que nem uma única substância pode formar algo complexo comparável.

Por que o nosso universo é assim? A resposta elegante é dada pela teoria da "multiplicação de universos" ou como também é chamada de teoria da "seleção natural cosmológica". Tudo se encaixa se assumirmos que nosso universo não é único, mas apenas um dos muitos universos que nascem e morrem competem entre si (por exemplo, por matéria) e, o mais importante, podem transferir suas propriedades por herança. Além disso, durante a transferência de propriedades, podem ocorrer mutações que, em certa medida, podem alterar as leis dos universos filhas. Ou seja, todos os universos e, portanto, os nossos, são o resultado da colossal evolução dos universos. É assustador até imaginar quantos outros universos existem e quanto tempo essa ação evolutiva é
No processo dessa evolução, provavelmente surgiram universos mais simples e universos com outras leis, mas nossas leis acabaram sendo melhores porque poderiam criar matéria mais complexa e competitiva. Podemos assumir que a vida, e em particular a vida inteligente, é um dos pontos principais que oferece aos universos uma vantagem competitiva (se eu tiver força suficiente, escreverei um artigo sobre o que contém idéias interessantes). Portanto, nosso universo acabou sendo exatamente isso, voltado para o surgimento da vida.

A teoria da seleção natural cosmológica é especialmente boa porque, em princípio, permite a verificação experimental. Por exemplo, se é possível encontrar mecanismos de herança ou mecanismos de competição. Então, agora Stephen Hawking já diz que a distribuição desigual da matéria no universo pode ser "herdada" do universo anterior, que existia antes do big bang. Há o argumento de Smolin sobre o papel dos buracos negros como uma possível ferramenta para o nascimento de novos universos. Todos juntos, isso é alguma coisa.

Mas meu trabalho inesperadamente levou a provas bastante convincentes (pelo menos para mim) da teoria da evolução dos universos. Sobre o universo, podemos apenas assumir que este é o resultado da evolução e seleção natural entre outros universos. Sobre o cérebro, sabemos com certeza que esse é o resultado da evolução biológica e da seleção natural biológica. Tanto o cérebro quanto o universo durante o processo evolutivo tiveram problemas semelhantes. Era necessário que o Universo criasse um mecanismo que permitisse o surgimento de matérias complexas que realizassem propriedades extraordinárias. Esse mecanismo era a mecânica quântica, que se revelou ordens de magnitude mais interessantes do que simples sistemas determinísticos. O cérebro, no entanto, precisava perceber e processar informações não triviais geradas pelo mundo circundante. E descobriu-se que os princípios são semelhantes à mecânica quântica,isto é, o uso de conceitos ambíguos e a operação de escolher um significado comparável ao colapso da função de onda dotaram o cérebro de capacidades muitas vezes maiores que os sistemas "determinísticos" (como máquinas de Turing).

Isso implica. Como os princípios inerentes ao cérebro são o resultado da evolução e da seleção natural, e se os princípios inerentes ao universo são semelhantes aos princípios usados ​​pelo cérebro, provavelmente os princípios e as leis do universo também são o resultado da evolução e da seleção natural.

Na verdade, agora minha história é sobre como o cérebro está estruturado e como implementa princípios semelhantes às leis do nosso universo no nível dos neurônios biológicos.

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