Говорят, что чтобы правильно задать вопрос надо знать большую часть ответа. Основной вопрос, который обычно задают про мозг – это как он устроен и каковы принципы его работы? Вопрос хороший и вполне корректный. Но предположим, что нам удалось узнать «большую часть ответа». Допустим, что возникла теория, которая исключительно правдоподобно описывает работу мозга. Какой вопрос теперь будет «правильным»?

Я развиваю модель, которую называю паттерно-волновой. Мне кажется, что в ней, наконец, удалось достаточно полно понять, как, все-таки, работает мозг. Конечно, это мое личное убеждение, и оно, безусловно, предвзято и необъективно. Но сейчас не об этом. Несколько дней назад мне довелось рассказывать о паттерно-волновой модели на семинаре в институте физиологии имени Павлова. Запись этого выступления я предлагаю посмотреть в конце этого поста. В выступлении содержится много нового по сравнению с предыдущими материалами, которые я выкладывал на Хабр и Гиктайм, и это может быть интересно тем, кто отслеживает ход исследований. Но, возможно, что смотреть выступление будет интереснее начав с конца, то есть узнав ответ на тот самый «правильный вопрос».

Напомню, что паттерно-волновая модель – это попытка объяснить, как работает мозг не только, описав некие алгоритмы, но и показав, как они биологически реализуются. С одной стороны, это сильно усложняет задачу, так как существенно ограничивает полет фантазии. Но с другой стороны, через нейрофизиологию дает огромное количество подсказок относительно реальной архитектуры мозга, которые, правда, требуется еще правильно истолковать. Так вот, оказалось, что не просто многие, а все основные принципы, которые свойственны мозгу (согласно предлагаемой модели), удивительным образом похожи на законы и принципы, которым подчиняется окружающий нас физический мир. Главным образом в мозгу оказались реализованы все идеи, составляющие квантовую механику.

Рассказ о самой модели будет в выступлении, а сейчас кратко перечислю основные совпадения:

• Информация распространяется по пространству мозга волнами активности нейронов. Волна при этом – это не просто передающееся дальше возмущение, а распространение определенного узора активности, индивидуального для каждого передаваемого понятия. Это можно легко представить. Вспомните бегущую волну на трибуне стадиона. Все встают, когда до них доходит фронт волны и садятся спустя секунду, другую. Это просто волна. А теперь представьте, что вы должны встать только если рядом уже встали определенные соседи (например, конкретные трое из двадцати сидящих рядом). И предположим, что у вас есть список комбинаций, на которые вы должны реагировать. Допустим, что у каждого на стадионе есть свой список. Тогда бежать будет не просто сплошная волна, а узор составленный из тех, кто встал, узнав комбинацию из своего списка. Если на такую конструкцию смотреть с большого расстояния, то мы увидим просто бегущую волну. Но если посмотреть в каждом конкретном месте, то увидим паттерн из определенных вставших людей.

Эта схема реализует сразу три фундаментальных физических принципа:

• Корпускулярно-волновой дуализм. Физические частицы – это одновременно и частицы, и волны. В зависимости от обстоятельств они могут проявлять и те, и другие свойства. Информационная волна – это волна если смотреть на ее распространение, но в каждом конкретном месте где она проходит – это определенный уникальный паттерн (узор).
• Принцип Гюйгенса-Френеля. Каждое место пространства куда дошел фронт волны можно рассматривать, как точечный источник новой волны. Сложение волн от всех источников позволяет описать как будет выглядеть итоговая картина распространения. В информационной волне, каждый паттерн является источником излучения волны (заставляет еще не встававших соседей продолжить специфический узор).
• Принцип неопределённости Гейзенберга. В квантовой системе есть ограничение на точность, с которой мы можем одновременно знать координаты и импульс частицы. Чем точнее известно одно, тем неопределенней другое. В информационной волне мы можем посмотреть на узор, оставленный волной и сказать, какое понятие она переносит. При этом мы можем указать не на конкретное точечное место где сейчас проходит фронт волны, а на область. Если мы возьмем слишком маленькую область, то по фрагменту узора мы не сможем точно сказать, что происходит. Так если на стадионе вы следите за узором из двадцати соседей и четко узнаете узоры из своего списка, то если ограничить наблюдение только пятью соседями, то вы возможно начнете ошибаться, принимая фрагмент чужого узора за свой, когда эти фрагменты узоров будут совпадать.

• Передача информации в пределах одной зоны коры (не спутайте с проекциями между зонами) происходит не адресно от одного места к другому, а расходящимся из источника фронтом волны, который разносит информацию по всей зоне. Любое место мозга может запускать информационные волны, для этого достаточно воспроизвести в этом месте паттерн активности, аналогичный тому, что возникает в нем при прохождении соответствующей волны. Это похоже на то, как в физическом мире электромагнитные волны переносят информацию не адресно, а по всему пространству. В любом месте пространства можно принять любую волну. Из любого места можно ее запустить. Радиостанции вещают в эфир так, что потенциально любой владелец радиоприемника может принять их передачи.

• Химическое взаимодействие между нейронами осуществляется за счет испускания из специальных пузырьков порций веществ – нейромедиаторов. Существует минимальный квант такого взаимодействия – это испускание одного пузырька с молекулами. Пузырьки (везикулы) имеют постоянное число молекул, которое достаточно строго выдерживается. Внутри пузырька находится не один нейромедиатор, а коктейль из нейромедиаторов и нейромодуляторов. Этот коктейль позволяет отличить сигналы одного нейрона от сигналов другого и создать простой механизм, который по наличию определенного набора нейромедиаторов позволяет понять, что сработали все необходимые нейроны.

В физическом мире существует минимальная единица взаимодействия – квант. В квантовой механике величины должны принимать дискретные значения, то есть квантоваться. В стандартной модели все вещество состоит из 12 фундаментальных квантовых полей спина ½, квантами этих полей являются фундаментальные частицы-фермионы. Все остальные частицы и переносчики взаимодействия – это определенные комбинации фермионов.

• Мозг оперирует понятиями, которые не имеют однозначного смысла. Например, любое слово естественного языка допускает множество толкований в зависимости от контекста. Каждое понятие имеет спектр допустимых значений. Если информация описывается набором понятий, то возможные трактовки – это суперпозиция всех возможных значений для каждого входящего в описание понятия. Выбор смысла – это выбор для каждого понятия, входящего в описание, определенной трактовки, при этом каждое понятие фиксирует определенное значение из спектра возможных для него. Аналогично, физическая частица может находится не в произвольных состояниях, а только в разрешенных, которые образуют спектр разрешенных состояний. Квантовая система из нескольких частиц имеет спектр разрешенных состояний, который является суперпозицией разрешенных состояний составляющих ее частиц. В момент измерения квантовая система выбирает одно из разрешенных состояний, при этом каждая из частиц принимает единственное состояние из доступного ей спектра.

• Информация не имеет конкретного смыла до момента пока не будет выбрана одна из возможных трактовок. При этом нельзя сказать, что смысл есть, но просто нам он пока не известен. Одна и та же информация может быть по-разному истолкована разными людьми или одним человеком, но в разных обстоятельствах.

Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР-парадокс) в свое время поставил вопрос о том имеет ли квантовая система какое-либо определенное состояние до момента измерения, но оно нам просто не известно, либо само состояние появляется только в момент измерения (взаимодействия с квантовой системой). Позже были сформулированы неравенства Белла на основании которых удалось придумать эксперименты, позволяющие проверить как имеет смысл описывать квантовые явления: вероятностно или детерминировано. В пределах достигнутой на сегодня точности подтверждается, что вероятностное толкование предпочтительнее.

• Информационные волны – это фронты распространения определенной активности на нейронах, но не тотальной активности, а частичной, то есть имеющей определенный внутренний пространственный узор. Причем этот узор уникален для каждого информационного понятия. Если событию присвоить уникальный идентификатор (эту функцию выполняет гиппокамп) и распространить его по пространству коры, то пересечение его узора (узора идентификатора гиппокампа) с кортикальными миниколонкам, составляющими текущее описание, создает интерференционную картину. Эту картину можно запомнить за счет изменения состояния метаботропных рецептивных кластеров. Впоследствии эту картину можно воспроизвести. При этом воспоминание о каждом событии оказывается не локализовано в каком-то одном месте, а распределено по всему пространству коры. Каждое место, участвовавшее в описании запомненного события, оставляет на себе отпечаток фрагмента идентификатора этого события. Каждое место впоследствии может «вспомнить» один из сохраненных идентификаторов и распространить его по пространству коры, что может заставить «откликнуться» все остальные места где этот идентификатор сохранен. В результате можно получить восстановление исходной информационной картины. Наглядно это можно представить так: предположим на стадионе есть множество секторов. Каждый сектор отвечает за определенное понятие. Указав несколько секторов, мы задаем текущее описание, состоящее из нескольких понятий. Все, кто в этих секторах должны поднять правую руку. Теперь запустим волну вставаний, кодирующую идентификатор текущего воспоминания. Все, кто встал и у кого при этом была поднята рука должны будут записать себе в блокнот какие сектора с поднятыми руками они видят. Если впоследствии повторится картина секторов, то им придется встать. В этот момент от них запустится волна, несущая идентификатор того самого воспоминания.

Физическая голография

построена на том, что если осветить фотопластинку и объект двумя когерентными источниками света, то интерференция света от источника и света, отраженного от объекта, создаст картину, которая если ее запомнить сохраняет информацию обо всем световом поле. Если потом на фотопластинку с голограммой направить монохромный (желательно) свет, произойдет восстановление исходного светового поля. При этом информация будет сохранена распределено, то есть каждый участок голограммы будет хранить не свою часть картинки, а всю картинку.

• Чтобы создать пространство для параллельной проверки возможных гипотез (реализовать принцип вычислений квантового компьютера) на коре происходит пространственная самоорганизация расположения миниколонок-детекторов. За счет чего формируются области каждая из которых проверяет одну и ту же входную информацию на соответствие контексту, который характерен для этой области. За счет распределенного характера памяти каждая область имеет доступ к тому объему воспоминаний, который необходим ей для работы. Сама пространственная организация осуществляется под воздействием реального опыта и отпечатывает на себе особенности того что бывает, а чего не бывает в реальном мире. За счет этого удается не проверять все комбинаторно возможные гипотезы, а ограничится только наиболее вероятными, то есть теми, которые ранее встречались. Основной принцип такой самоорганизации – детекторы понятий, которые встречаются совместно в реальном опыте, должны располагаться совместно и на пространстве коры.

Если сравнивать со стадионом, то предположим, что люди могут видеть не все сектора сразу (на предмет поднятых рук), а только несколько соседних. Чтобы люди могли достаточно полно видеть описание, которое им надо запомнить, необходимо, чтобы сектора, которые могут совместно встретится в описании располагались поблизости. Если описания — случайные наборы понятий, то в каждом месте придется иметь все возможные понятия (которые будет невозможно все сразу разместить по соседству). Но если описания содержат закономерности, то есть что-то совместно встречается чаще, что-то реже, то, постаравшись, можно так назначить секторам понятия, что в большинстве случаев описания будут полностью укладываться в соседние сектора.

Для реализации самоорганизации требуется использовать механизмы, моделирующие на уровне нейронных связей (торможение и активация) принципы притяжения и отталкивания, причем по нескольким критериям и с разными зависимостями от расстояния.

В физическом мире материя приобретает все доступные ей сложные формы за счет пространственной самоорганизации, основой на использовании гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий.

• Принципы поведение человека и животных, как, собственно, и принципы мышления – это реализация механизмов обучения с подкреплением. В основе обучения с подкреплением лежит уравнение Беллмана и принцип оптимизации Беллмана. Уравнение Беллмана является случаем с дискретным временем более общего уравнения Гамильтона — Якоби — Беллмана, которое так называется потому что является аналогом уравнения Гамильтона — Якоби, известного из механики.

Если очень упрощенно, про стадион, то представьте, что люди запоминают происходящее, записывая что-то в блокнот, вспоминают, когда записанное повторяется, и встают, запуская тем самым волны с идентификаторами воспоминаний. Волны с этими идентификаторами записываются специальными людьми в секторах. Узнав волну, они дают команду всем в секторе поднять руку. Так, вспомнив что-то в одном месте, можно восстановить запомненную информационную картину на всем стадионе.

А теперь представьте, что описания кодируют положение игроков на поле и команды для них. То есть все игроки (той команды, которая хозяин стадиона) смотрят на трибуны и делают что-то только тогда если картина поднятых рук на секторах сложилась в понятную для них команду к действию. Над стадионом висит табло. Если действие оказалось удачным, мы забили гол, то все на трибунах это видят, видят и когда гол забили нам. Удачи и неудачи могут учить людей тому, что надо вспоминать, а что вспоминать не стоит. Им для этого достаточно корректировать свои записи в блокноте относительно необходимости вставания. Это и есть, вчерне, обучение с подкреплением.

Поведение физических систем определяется принципом наименьшего действия (принцип Гамильтона). Законы, определяющие поведение динамических систем (как в классической, так и в квантовой механике) выводятся из этого принципа (в том числе и уравнение Гамильтона — Якоби).

Приведены основные, но далеко не все аналогии, но и их достаточно чтобы возник неизбежный «правильный» вопрос: почему мозг так устроен, почему принципы его работы имеют настолько близкие аналогии с законами физического мира? Самое удивительное, что этот вопрос имеет вполне здравый ответ.

Давно известен так называемый антропный принцип. Суть его в том, что окружающая нас вселенная как будто специально устроена так, чтобы в ней могла возникнуть и развиться биологическая жизнь. Известно, что если изменить хоть в чем-то физические принципы нашей вселенной или хоть на малую толику поменять физические константы, то жизнь в такой вселенной никогда не возникнет. Если говорить об основных принципах, то любое их изменение ведет к тому, что скорее всего материя перестанет быть устойчивой, не смогут образовываться ни звезды, ни галактики, ни планеты. Более тонкие изменения «убивают» магию углерода. Дело в том, что вся биологическая жизнь основана на способности углерода образовывать длинные белковые молекулы. Это единственное вещество, которое способно в сочетаниях с другими создать те кирпичики из которых состоит все живое. Малейшее изменение настроек вселенной не просто лишает углерод такой способности, но и ведет к тому, что ни одно вещество не сможет формировать ничего сопоставимо сложного.

Почему же наша вселенная такова? Изящный ответ дает теория «размножения вселенных» или как ее еще называют теория «космологического естественного отбора». Все встает на место если предположить, что наша вселенная не уникальна, а только одна из множества вселенных, которые рождаются и умирают, конкурируют друг с другом (например, за вещество) и самое главное могут передавать свои свойства по наследству. Причем при передаче свойств могут возникать мутации, которые в какой-то степени могут менять законы дочерних вселенных. То есть все вселенные, а значит и наша – результат колоссальной эволюции вселенных. Страшно даже представить сколько существует других вселенных и сколько уже длится это эволюционное действо

В процессе этой эволюции скорее всего возникали и более простые вселенные, и вселенные с другими законами, но наши законы оказались лучше, поскольку смогли создать более сложную и конкурентоспособную материю. Можно предположить, что жизнь и, в частности, разумная жизнь – это один из ключевых моментов, который дает вселенным конкурентное преимущество (ели хватит сил, то напишу статью о том в чем оно, есть интересные идеи). Поэтому-то и оказалась наша вселенная именно такой, заточенной на возникновение жизни.

Теория космологического естественного отбора особенно хороша тем, что, в принципе, допускает экспериментальную проверку. Например, если удастся найти механизмы наследования или механизмы конкурентной борьбы. Так, уже сейчас Стивен Хокинг говорит о том, что неравномерность распределения вещества во вселенной может быть «унаследована» от предыдущей вселенной, существовавшей до большого взрыва. Есть рассуждения Смолина о роли черных дыр, как возможного инструмента рождения новых вселенных. Все вместе это уже кое-что.

Но мои работы неожиданно привели к достаточно убедительному (по крайней мере, для меня) доказательству теории эволюции вселенных. Про вселенную мы можем только предполагать, что это результат эволюции и естественного отбора среди других вселенных. Про мозг же мы доподлинно знаем, что это результат биологической эволюции и биологического естественного отбора. И мозг и вселенная в процессе эволюции имели схожие проблемы. Вселенной было необходимо создать механизм, позволяющий возникнуть сложной материи, реализующей неординарные свойства. Этим механизмом стала квантовая механика, которая оказалась на порядки интереснее простых детерминированных систем. Мозгу же было необходимо воспринимать и обрабатывать небанальную информацию, порождаемую окружающим миром. И оказалось, что принципы аналогичные квантовой механике, то есть использование неоднозначных понятий и операции выбора смысла, сопоставимой с коллапсом волновой функции, наделили мозг возможностями, многократно превосходящими «детерминированные» (подобные машинам Тьюринга) системы.

Отсюда следует. Так как принципы, свойственные мозгу, – результат эволюции и естественного отбора и если принципы, свойственные вселенной, аналогичны принципам, используемым мозгом, то скорее всего принципы и законы вселенной – это тоже результат эволюции и естественного отбора.

Собственно, теперь мой рассказ о том, как устроен мозг и как он на уровне биологических нейронов реализует принципы, аналогичные законам нашей вселенной.