🔨 🔍 🛌 脑。全息记忆。量子计算生物学 🦖 ⏸️ 🔶

他们说正确提出一个问题，您需要知道大部分答案。通常人们会问关于大脑的主要问题是它是如何工作的，其工作原理是什么？这个问题很好，很正确。但是，假设我们设法找出“大多数答案”。假设出现了一种理论，该理论专门描述了大脑的功能。现在什么问题是“正确的”？

我正在开发一个称为模式波的模型。在我看来，尽管如此，最终还是有可能完全理解大脑是如何工作的。当然，这是我个人的信念，并且肯定有偏见和偏见。但是，现在还不行。几天前，我在巴甫洛夫生理学研究所的一次研讨会上碰巧谈到了模式波模型。我建议在这篇文章的结尾处观看此演讲的录音。与以前在Habr和Giktaym上发表的材料相比，本演示文稿包含很多新内容，对于那些追踪研究进展的人来说，这可能很有趣。但是，从头开始观看演示可能会更有趣，也就是找出这个“正确问题”的答案。

让我提醒您，模式波模型是一种尝试，不仅通过描述某些算法，而且通过展示它们是如何生物学实现的，来解释大脑如何工作。一方面，这极大地使任务复杂化，因为它极大地限制了想象力的飞行。但是，另一方面，通过神经生理学，可以提供大量有关大脑真实结构的线索，但是仍然需要正确解释。因此，事实证明，不仅是很多，而且所有大脑特征性的基本原理（根据所提出的模型）都出乎意料地类似于我们周围的自然世界所遵循的定律和原理。大多数构成量子力学的想法都已经在大脑中实现了。
有关模型本身的故事将在演讲中，现在我将简要列出主要的巧合之处：

•信息以神经元活动波的形式通过大脑空间传播。同时，波动不仅是进一步传播的干扰，而且是某种活动模式的传播，对于每个传播的概念都是如此。这很容易想象。记住体育场领奖台上的奔波。当波前到达他们时，每个人都会站起来，一秒钟后又坐下来。这只是一浪。现在想象一下，只有在某些邻居已经站在附近的情况下，您才应该站起来（例如，坐在附近的二十个人中有特定的三个）。并假设您有一个应该响应的组合列表。假设体育场内的每个人都有自己的清单。这样一来，不仅将产生坚如磐石的浪潮，还将出现一种由站起来的人组成的格局，他们从他们的名单中识别出一个组合。如果您从远处看这样的设计，那么我们只会看到一阵奔波。但是，如果您查看每个特定的地方，就会看到某些人已经崛起的模式。

该方案立即实现了三个基本物理原理：

波粒二象性。物理粒子既是粒子又是波。根据情况，它们可以同时显示这两个属性。如果您查看信息波的分布，它就是一个波，但是在它经过的每个特定位置，它都是一个特定的模式（模式）。
惠更斯-菲涅耳原理。波前到达的每个空间位置都可以视为新波的点源。来自所有来源的波的添加使我们能够描述最终的分布模式。在信息波中，每个模式都是波辐射的来源（它迫使尚未上升的邻居继续执行特定的模式）。
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•不在皮质的一个区域内传输信息（不要与区域之间的投影相混淆）不是从一个地方到另一个地方，而是从与源头不同的波前传播，该波前在整个区域内传输信息。大脑中的任何位置都可以触发信息波，为此，足以在该位置重现一种与相应波通过时类似的活动模式。这类似于在物理世界中，电磁波不是针对性地而是在整个空间中承载信息。太空中的任何地方都可以掀起波澜您可以在任何地方运行它。广播电台进行广播，以便广播的任何所有者都可以接收其广播。

•神经元之间的化学相互作用是通过释放特殊气泡（神经递质）中的一部分物质来进行的。这种相互作用的最小量-这是一个气泡与分子的发射。气泡（小泡）具有恒定数量的分子，这是非常严格保持的。气泡内部不是一种神经递质，而是神经递质和神经调节剂的混合物。这种混合物使您能够将一个神经元的信号与另一个神经元的信号区分开，并创建一种简单的机制，通过存在一组特定的神经递质，可以使您了解所有必要的神经元均已起作用。
在物理世界中，相互作用的最小单位是量子。在量子力学中，数量必须取离散值，即量化。在在标准模型中，所有物质都包含12个自旋½的基本量子场，这些场的量子为基本费米子粒子。所有其他粒子和相互作用载体是费米子的某些组合。

•大脑使用的概念含义不明确。例如，根据上下文，自然语言中的任何单词都有许多解释。每个概念都有一系列可接受的值。如果信息是由一组概念描述的，则可能的解释是描述中包含的每个概念的所有可能值的叠加。意义的选择是对某种解释的描述中所包括的每个概念的选择，而每个概念则从可能的范围中捕获特定的值。类似地，物理粒子可能不会处于任意状态，而只能处于允许状态，这形成了允许状态的频谱。几个粒子的量子系统具有允许态的光谱，该光谱是其组成粒子的允许态的叠加。在测量时，量子系统选择一种允许的状态，每个粒子从可用光谱中选择一个状态。

•在选择一种可能的解释之前，信息没有特定的含义。同时，不能说有一种感觉，但是我们根本还不知道。相同的信息可能由不同的人或一个人以不同的方式解释，但是在不同的情况下。
爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论（EPR悖论）曾经提出一个问题，即量子系统在测量时刻之前是否具有任何确定的状态，但我们根本不知道它，还是状态本身仅在测量时刻出现（与量子系统相互作用）。后来，贝尔的不等式得以表述，在此基础上，有可能进行实验，使人们能够检验描述量子现象（概率论或确定论）的意义。在目前为止所达到的精度的范围内，已证实概率解释是优选的。

•信息波是神经元上某种活动的传播前沿，但不是全部活动，而是部分活动，即具有一定的内部空间模式。而且，这种模式对于每个信息概念都是唯一的。如果为事件分配唯一的标识符（海马执行此功能）并将其分布在整个皮质空间中，则其模式（海马标识符模式）与构成当前描述的皮质微型列的交集会产生干扰图像。可以通过改变代谢型受体簇的状态来记住这张照片。随后，可以再现该图片。而且，每个事件的记忆并不局限于任何一个地方，而是分布在整个皮质空间中。每个地方参与记忆事件的描述，留下该事件的标识符片段的烙印。每个位置随后都可以“记住”一个存储的标识符，并将其分布在皮质空间上，这可能导致存储该标识符的所有其他位置“响应”。结果，您可以获得原始信息图片的还原。可以将其可视化如下：假设体育场内有很多区域。每个部门负责一个特定的概念。在指定了几个扇区之后，我们设置了当前的描述，其中包含几个概念。这些部门的每个人都应该举起右手。现在，让我们开始一连串的洞察，对当前内存的标识符进行编码。所有，无论谁站起来，在这种情况下举手，都必须在他们举手看到的扇形笔记本上写信给自己。如果随后各部门的情况重演，那么它们将不得不起床。这时，一波从它们开始，带有那个记忆的标识符。
物理全息技术基于这样一个事实，即如果您用两个相干的光源照亮感光板和物体，那么来自光源的光和物体反射的光就会产生图像，如果您还记得的话，它将保存有关整个光场的信息。然后，如果您将单色（最好是）光引导到带有全息图的照相板上，则将恢复原始光场。在这种情况下，信息将被分布式存储，即，全息图的每个部分将不存储其自己的部分图像，而是整个图像。

•为了创建用于并行测试可能假设的空间（以实现计算量子计算机的原理），微型检测器列的排列在空间上进行了自组织。由于形成了什么区域，每个区域都会检查相同的输入信息，以符合该区域的特征上下文。由于内存的分布式性质，每个区域都可以访问其需要工作的大量内存。空间组织本身是在真实经验的影响下进行的，并且在现实世界中将发生或未发生的特征刻在自身上。因此，有可能不会检验所有组合可能的假设，而只能将其局限在最可能的情况下，即先前遇到的那些情况。这种自组织的基本原理是概念检测器，它们是在实际经验中一起发现的，必须一起位于皮质空间中。
如果我们将其与体育场相比较，则假设人们不能一次看到所有区域（以举手），而只能看到少数几个相邻的区域。为了使人们能够完全看到他们需要记住的描述，必须将描述中可以同时遇到的扇区放在附近。如果描述是概念的随机集合，那么在每个地方您都将必须拥有所有可能的概念（不可能立即将所有内容都放置在附近）。但是，如果描述包含规则性，也就是说，某些东西在一起更常见，那么不常见，则可以通过尝试将概念分配给扇区，以便在大多数情况下，这些描述将完全适合相邻的扇区。
为了实现自组织，还需要根据一些标准以及对距离的不同依赖，在神经连接（抑制和激活）的吸引和排斥原理的模型上进行建模。
在物理世界中，物质基于重力，电磁，强相互作用和弱相互作用的使用，通过空间自组织获得了所有可用的复杂形式。

•人类和动物行为的原则以及思维的原则是对学习机制的强化实施。强化学习基于Bellman方程和Bellman优化原理。 Bellman方程是更一般的离散时间情况Hamilton-Jacobi-Bellman方程之所以被称为是因为它是从力学上已知的Hamilton-Jacobi方程的类似物。
如果对体育场非常简单，那么想象一下人们会记得正在发生的事情，在笔记本上写东西，记住重复的时间，然后站起来，从而发出带有记忆标识符的波浪。具有这些标识符的波浪由部门中的特殊人员记录。在学习了这一波之后，他们命令该行业的每个人举手。因此，只要记住一个地方的东西，就可以在整个体育场恢复存储的信息图片。
现在，假设描述描述了球员在场上以及他们所在球队的位置。就是说，（拥有体育场的团队的）所有球员都看着看台，并且只有在举手示意该部门已经发展成为一个可以理解的行动团队时，才做一些事情。记分牌挂在体育场上方。如果行动成功，我们就进球了，看台上的每个人都看到了，他们看到了，我们进球了。好运和失败会教会人们要记住什么，不值得记住的东西。为此，只需调整笔记本中有关起床的笔记即可。在草稿中，这是强化训练。
物理系统的行为由最小作用原理（汉密尔顿原理）确定。）决定动力学系统行为的定律（包括经典力学和量子力学）都从该原理（包括汉密尔顿-雅各比方程）得出。

给出了主要的（但不是全部）类比，但它们足以引发不可避免的“正确”问题：为什么大脑如此结构，为什么其操作原理与物理世界定律如此相似？最令人惊讶的是，这个问题有一个非常可靠的答案。

所谓的人类原则早已为人所知。其本质是，围绕我们的宇宙似乎是经过特殊设计的，因此生物生命可以在其中产生和发展。众所周知，如果我们至少改变了宇宙的物理原理，或者甚至稍微改变了物理常数，那么在这样一个宇宙中的生命将永远不会出现。如果我们谈论基本原理，那么它们的任何变化都将导致这样的事实，即问题很可能将不再稳定，恒星，星系，行星都将无法形成。更细微的变化“杀死”了碳的魔力。事实是，所有生物生命都基于碳形成长蛋白分子的能力。这是唯一能够与其他物质结合而制造出所有生物组成的砖头的物质。宇宙环境的最微小变化不仅剥夺了碳的这种能力，而且导致了一个事实，即没有任何一种物质可以形成任何可比的复合物。

为什么我们的宇宙如此？优雅的答案是由“宇宙的繁衍”理论给出的，也称为“宇宙自然选择”理论。如果我们假设我们的宇宙不是唯一的，那么一切都会就位，而只有生而死的众多宇宙之一，彼此竞争（例如，物质竞争），最重要的是，它们可以通过继承来转移其属性。而且，在特性转移期间，可能会发生突变，这在一定程度上可以改变子宇宙的定律。也就是说，所有宇宙以及我们的宇宙都是宇宙巨大进化的结果。甚至不敢想象还有多少其他宇宙存在，以及这种进化动作持续了多长时间
在这种演变过程中，出现了更可能是更简单的宇宙以及具有其他定律的宇宙，但是我们的定律却变得更好，因为它们可以创造出更复杂和更具竞争性的事物。我们可以假设生活，尤其是智慧生活，是赋予宇宙竞争优势的关键点之一（如果我有足够的力量，我将写一篇有关其中包含有趣观点的文章）。因此，我们的宇宙原来就是那样，面向生命的出现。

宇宙自然选择理论特别好，因为从原则上讲，它可以进行实验验证。例如，如果有可能找到遗传机制或竞争机制。因此，现在斯蒂芬·霍金已经说过，宇宙中物质分布的不均匀性可以从以前发生在大爆炸之前的宇宙中“继承”。斯莫林（Smolin）认为黑洞是新宇宙诞生的一种可能工具。总之，这是东西。

但是我的工作出乎意料地导致了（至少对我而言）令人信服的宇宙演化理论的证明。关于宇宙，我们只能假设这是其他宇宙之间进化和自然选择的结果。关于大脑，我们可以肯定地知道这是生物进化和生物自然选择的结果。在进化过程中，大脑和宇宙都有类似的问题。宇宙有必要创造一种机制，使复杂物质的出现实现非凡的特性。这种机制就是量子力学，它比简单的确定性系统有趣得多。但是，大脑需要感知并处理周围世界产生的非平凡信息。事实证明，原理类似于量子力学，就是说，模棱两可的概念的使用以及选择与波动函数崩溃相当的含义的操作赋予了大脑比“确定性”系统（如图灵机）强很多倍的能力。

这意味着。由于大脑固有的原理是进化和自然选择的结果，并且如果宇宙固有的原理与大脑使用的原理相似，那么宇宙的原理和定律很可能也是进化和自然选择的结果。

实际上，现在我的故事是关于大脑如何构造以及如何在生物神经元水平上实现类似于我们宇宙定律的原理。

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