Квантовая интерпретация нейронауки

Введение

Квантовая интерпретация нейробиологии

Теория голономического мозга – это раздел нейробиологии, изучающий идею о том, что человеческое сознание формируется квантовыми эффектами в мозговых клетках или между ними. Термин "голономический" относится к представлениям в фазовом пространстве Гильберта, определяемом как спектральными, так и пространственно-временными координатами. Теория голономического мозга противопоставляется традиционной нейробиологии, которая исследует работу мозга, изучая паттерны нейронов и окружающую химию. Эта конкретная теория квантового сознания была разработана нейробиологом Карлом Прибрамом изначально в сотрудничестве с физиком Дэвидом Бомом, опираясь на первоначальные теории голограмм, впервые сформулированные Деннисом Габором. Она описывает человеческое познание, моделируя мозг как голографическую сеть хранения информации. Габор, Прибрам и другие отмечали сходство между этими процессами в мозге и хранением информации в голограмме, которую также можно анализировать с помощью преобразования Фурье.

Истоки и развитие

В 1946 году Дэннис Габор математически изобрел голограмму, описав систему, в которой изображение может быть реконструировано посредством информации, хранящейся по всей голограмме. Он продемонстрировал, что информационная картина трехмерного объекта может быть закодирована в пучке света, который в значительной степени двумерен. Габор также разработал математическую модель для демонстрации голографической ассоциативной памяти. Один из коллег Габора, Питер Якобус Ван Херден, также разработал связанную голографическую модель математической памяти в 1963 году. Эта модель содержала ключевой аспект нелокальности, который приобрел значение спустя годы, когда в 1967 году эксперименты Брайтенберга и Киршфилда показали ошибочность представления об точной локализации памяти в мозге. Карл Прибрам работал с психологом Карлом Лэшли над экспериментами Лэшли с энгрэмами, в которых использовались повреждения для определения точного местоположения конкретных воспоминаний в мозге приматов. Лэшли наносил небольшие повреждения мозгу и обнаружил, что они оказывают незначительное влияние на память. С другой стороны, Прибрам удалял большие участки коры, что приводило к множественным серьезным дефицитам памяти и когнитивных функций. Воспоминания не хранились в отдельном нейроне или в точном месте, а были распределены по всей нейронной сети. Лэшли предположил, что интерференционные картины в мозге могут играть роль в восприятии, но не был уверен, как такие картины могут генерироваться в мозге или как они приводят к функционированию мозга. Спустя несколько лет в статье нейрофизиолога Джона Эклса было описано, как волна может генерироваться на разветвленных концах пресинаптических аксонов. Множество этих волн могут создавать интерференционные картины. Вскоре после этого Эмметту Лейту удалось успешно хранить визуальные образы посредством интерференционных картин лазерных лучей, вдохновленный предыдущим использованием Габором преобразований Фурье для хранения информации в голограмме. Изучив работы Эклса и Лейта, в 1980 году физик Дэвид Бом представил свои идеи о голодвижении и имплицитном и эксплицитном порядке. Прибрам узнал о работе Бома в 1975 году и понял, что поскольку голограмма может хранить информацию в паттернах интерференции, а затем воспроизводить эту информацию при активации, она может служить сильной метафорой для функционирования мозга. Вместе они установили, что "кодирование пространственной частоты, отображаемое клетками зрительной коры, лучше всего описывается как преобразование Фурье входного паттерна".

In 1946 Dennis Gabor invented the hologram mathematically, describing a system where an image can be reconstructed through information that is stored throughout the hologram. He demonstrated that the information pattern of a three dimensional object can be encoded in a beam of light, which is more or less two dimensional. Gabor also developed a mathematical model for demonstrating a holographic associative memory. One of Gabor's colleagues, Pieter Jacobus Van Heerden, also developed a related holographic mathematical memory model in 1963. This model contained the key aspect of non locality, which became important years later when, in 1967, experiments by both Braitenberg and Kirschfield showed that exact localization of memory in the brain was false. Karl Pribram had worked with psychologist Karl Lashley on Lashley's engram experiments, which used lesions to determine the exact location of specific memories in primate brains. Lashley made small lesions in the brains and found that these had little effect on memory. On the other hand, Pribram removed large areas of cortex, leading to multiple serious deficits in memory and cognitive function. Memories were not stored in a single neuron or exact location, but were spread over the entirety of a neural network. Lashley suggested that brain interference patterns could play a role in perception, but was unsure how such patterns might be generated in the brain or how they would lead to brain function. Several years later an article by neurophysiologist John Eccles described how a wave could be generated at the branching ends of pre synaptic axons. Multiple of these waves could create interference patterns. Soon after, Emmett Leith was successful in storing visual images through the interference patterns of laser beams, inspired by Gabor's previous use of Fourier transformations to store information within a hologram. After studying the work of Eccles and that of Leith, In 1980, physicist David Bohm presented his ideas of holomovement and Implicate and explicate order. Pribram became aware of Bohm's work in 1975 and realized that, since a hologram could store information within patterns of interference and then recreate that information when activated, it could serve as a strong metaphor for brain function. together established "the spatial frequency encoding displayed by cells of the visual cortex was best described as a Fourier transform of the input pattern."

Голограмма и голономия

Главная характеристика голограммы заключается в том, что каждая часть хранимой информации распределена по всей голограмме. Оба процесса – хранение и извлечение – осуществляются способом, описываемым уравнениями преобразования Фурье. Пока часть голограммы достаточно велика, чтобы содержать интерференционную картину, эта часть способна воссоздать целостность сохраненного изображения, хотя изображение может содержать нежелательные искажения, называемые шумом. Аналогией этому является зона покрытия радиоантенны. В каждой отдельной точке внутри всей зоны доступен каждый канал, подобно тому, как вся информация голограммы содержится в ее части. Это позволяет мозгу сохранять функции и память даже при повреждениях. Представление информации происходит как динамическая трансформация в распределенной сети дендритных микропроцессов. Важно отметить разницу между концепцией голономического мозга и голографического мозга. Прибрам не утверждает, что мозг функционирует как единая голограмма. Скорее, волны в меньших нейронных сетях создают локализованные голограммы в рамках общей работы мозга. Эта патч-голография называется голономией или оконным преобразованием Фурье. Голографическая модель также может объяснить другие особенности памяти, которые не поддаются объяснению с помощью традиционных моделей. Модель памяти Хопфилда имеет точку раннего насыщения, после которой извлечение информации резко замедляется и становится ненадежным. Процессы в дендритном древе – сети теледендритов и дендритов – происходят из-за колебаний поляризации в мембране тонких волокнистых дендритов, а не из-за распространяющихся нервных импульсов, связанных с потенциалами действия. Чем короче задержка, тем более бессознательным является действие, в то время как более длительная задержка указывает на более продолжительный период осознания. Исследование, проведенное Дэвидом Алконом, показало, что после бессознательного павловского обусловливания наблюдалось пропорционально большее уменьшение объема дендритного древа, подобное синаптическому элиминированию, когда опыт повышает автоматизм действия. В системах, обладающих памятью, эти взаимодействия приводят к прогрессивному увеличению самоопределения. Ряд исследований показал, что те же самые последовательности операций, используемые в моделях голографической памяти, выполняются в определенных процессах, связанных с временной памятью и оптико-моторными реакциями. Это указывает, по крайней мере, на возможность существования неврологических структур с определенными голономическими свойствами. Они могут играть роль в межклеточной коммуникации и определенных процессах мозга, включая сон, но для подтверждения текущих исследований необходимы дальнейшие исследования.

A main characteristic of a hologram is that every part of the stored information is distributed over the entire hologram. Both processes of storage and retrieval are carried out in a way described by Fourier transformation equations. As long as a part of the hologram is large enough to contain the interference pattern, that part can recreate the entirety of the stored image, but the image may have unwanted changes, called noise. An analogy to this is the broadcasting region of a radio antenna. In each smaller individual location within the entire area it is possible to access every channel, similar to how the entirety of the information of a hologram is contained within a part. This allows the brain to maintain function and memory even when it is damaged. Representation occurs as a dynamical transformation in a distributed network of dendritic microprocesses. It is important to note the difference between the idea of a holonomic brain and a holographic one. Pribram does not suggest that the brain functions as a single hologram. Rather, the waves within smaller neural networks create localized holograms within the larger workings of the brain. This patch holography is called holonomy or windowed Fourier transformations. A holographic model can also account for other features of memory that more traditional models cannot. The Hopfield memory model has an early memory saturation point before which memory retrieval drastically slows and becomes unreliable. Processes in this dendritic arbor, the network of teledendrons and dendrites, occur due to the oscillations of polarizations in the membrane of the fine fibered dendrites, not due to the propagated nerve impulses associated with action potentials. The shorter the delay the more unconscious the action, while a longer delay indicates a longer period of awareness. A study by David Alkon showed that after unconscious Pavlovian conditioning there was a proportionally greater reduction in the volume of the dendritic arbor, akin to synaptic elimination when experience increases the automaticity of an action. In systems endowed with memory storage, these interactions therefore lead to progressively more self determination. Several studies have shown that the same series of operations used in holographic memory models are performed in certain processes concerning temporal memory and optomotor responses. This indicates at least the possibility of the existence of neurological structures with certain holonomic properties. These may play a role in cell communication and certain brain processes including sleep, but further studies are needed to strengthen current ones.

Критика и альтернативные модели

Голономическая модель функционирования мозга Прибрама не получила широкого признания в свое время, но впоследствии были разработаны другие квантовые модели, включая динамику мозга Джибу и Ясуэ, а также диссипативную квантовую динамику мозга Витиелло. Хотя они напрямую не связаны с голономической моделью, они продолжают развиваться, выходя за рамки подходов, основанных исключительно на классической теории мозга. Затем модель была расширена за пределы коррелографа до ассоциативной сети, где точки превратились в параллельные линии, расположенные в виде сетки. Горизонтальные линии представляют собой аксоны входных нейронов, а вертикальные – выходных нейронов. Каждое пересечение соответствует модифицируемому синапсу. Несмотря на то, что эта модель не способна распознавать сдвинутые шаблоны, она обладает большей потенциальной емкостью хранения. Целью разработки не обязательно было показать, как устроен мозг, а скорее продемонстрировать возможность улучшения оригинальной модели Габора. П. Ван Хёрден опроверг эту модель, математически доказав, что отношение сигнал/шум голограммы может достигать 50% от идеального. Он также использовал модель с 2D нейронной голограммой для быстрого поиска, наложенную на 3D сеть для обеспечения большой емкости хранения. Ключевым достоинством этой модели была ее гибкость в изменении ориентации и коррекции искажений сохраненной информации, что важно для нашей способности узнавать объект как одну и ту же сущность с разных углов и в разных положениях, чего не хватает моделям коррелографа и ассоциативной сети.