Теория голономного мозга - Holonomic brain theory

Теория голономного мозга, также известный как Голографический мозг, это ветвь нейробиология исследование идеи о том, что человеческое сознание сформировано квантовыми эффектами внутри или между клетками мозга. Этому противостоит традиционная нейробиология, которая исследует поведение мозга, глядя на паттерны нейронов и окружающей химии, и которая предполагает, что какие-либо квантовые эффекты не будут значительными в этом масштабе. Вся сфера квантовое сознание часто критикуют как лженаука, как подробно описано в его основной статье.

Эта конкретная теория квантового сознания была разработана нейробиологом. Карл Прибрам изначально в сотрудничестве с физиком Дэвид Бом опираясь на первоначальные теории голограммы первоначально сформулированный Деннис Габор. Он описывает человека познание путем моделирования мозга как голографической сети хранения.[1][2] Прибрам предполагает, что эти процессы включают электрические колебания в тонковолокнистых дендритных тканях мозга, которые отличаются от более известных потенциалов действия, связанных с аксонами и синапсами.[3][4][5] Эти колебания являются волнами и создают волновая интерференция паттерны, в которых память закодирована естественным образом, и волновая функция может быть проанализирован преобразование Фурье.[3][4][5][6][7] Габор, Прибрам и другие отметили сходство между этими мозговыми процессами и хранением информации в голограмме, которая также может быть проанализирована с помощью преобразования Фурье.[1][8] В голограмме любая часть голограммы достаточного размера содержит всю сохраненную информацию. Согласно этой теории, часть долговременной памяти аналогичным образом распределяется по дендритной ветви, так что каждая часть дендритной сети содержит всю информацию, хранящуюся во всей сети.[1][8][9] Эта модель учитывает важные аспекты человеческого сознания, включая быстрое ассоциативное объем памяти что позволяет устанавливать связи между различными частями хранимой информации и нелокальность памяти (конкретная память не хранится в определенном месте, то есть в определенном кластере нейронов).[1][10][11]

Истоки и развитие

В 1946 г. Деннис Габор математически изобрел голограмму, описав систему, в которой изображение может быть восстановлено с помощью информации, хранящейся на всей голограмме.[3] Он продемонстрировал, что информационный паттерн трехмерного объекта может быть закодирован в луче света, который является более или менее двумерным. Габор также разработал математическую модель для демонстрации голографическая ассоциативная память.[12] Один из коллег Габора, Питер Якобус Ван Херден, также разработал связанную голографическую математическую модель памяти в 1963 году.[13][14][15] Эта модель содержала ключевой аспект нелокальности, который стал важным много лет спустя, когда в 1967 году эксперименты обоих Брайтенберг и Киршфилд показали, что точная локализация памяти в мозгу была ложной.[9]

Карл Прибрам работал с психологом Карл Лэшли на Лэшли инграмма эксперименты, в которых использовались поражения для определения точного местоположения конкретных воспоминаний в мозгу приматов.[1] Лэшли сделал небольшие повреждения в мозгу и обнаружил, что они мало влияют на память. С другой стороны, Прибрам удалил большие участки коры головного мозга, что привело к множеству серьезных нарушений памяти и когнитивных функций. Воспоминания не хранились в одном нейроне или точном месте, а были распределены по всей нейронной сети. Лэшли предположил, что паттерны вмешательства в мозг могут играть роль в восприятии, но не был уверен, как такие паттерны могут генерироваться в мозгу или как они могут привести к его функциям.[16]

Спустя несколько лет статья нейрофизиолога Джон Экклс описали, как волна может генерироваться на концах ветвления пресинаптических аксонов. Несколько таких волн могут создавать интерференционные картины. Вскоре после, Эмметт Лейт был успешным в хранении визуальных изображений через интерференционные картины лазерных лучей, вдохновленный предыдущим использованием Габором преобразований Фурье для хранения информации внутри голограммы.[17] Изучив работы Экклза и Лейта,[16] Прибрам выдвинул гипотезу о том, что память может принимать форму интерференционных картин, напоминающих голограммы, созданные лазером.[18] Физик Дэвид Бом представил свои идеи голодвижения и предполагать и объяснять порядок.[нужна цитата ] Прибрам узнал о работе Бома в 1975 году.[19] и понял, что, поскольку голограмма может хранить информацию в рамках интерференционных паттернов, а затем воссоздавать эту информацию при активации, она может служить сильной метафорой для функции мозга.[16] В этой линии предположений Прибрама еще больше воодушевил тот факт, что нейрофизиологи Рассел и Карен Де Валуа[20] вместе установлено, что "пространственно-частотное кодирование, отображаемое клетками зрительной коры, лучше всего описать как преобразование Фурье шаблона ввода ".[21]

Обзор теории

Голограмма и голономия

Схема одной из возможных схем голограммы.

Основная характеристика голограмма заключается в том, что каждая часть хранимой информации распределена по всей голограмме.[2] Оба процесса хранения и поиска выполняются способом, описанным Преобразование Фурье уравнения.[22] Пока часть голограммы достаточно велика, чтобы вместить картина интерференции, эта часть может полностью воссоздать сохраненное изображение, но изображение может иметь нежелательные изменения, называемые шум.[8]

Аналогия этому - область вещания радиоантенны. В каждом меньшем отдельном месте в пределах всей области можно получить доступ к каждому каналу, подобно тому, как вся информация голограммы содержится внутри части.[3] Другой аналог голограммы - это то, как солнечный свет освещает объекты в поле зрения наблюдателя. Неважно, насколько узок луч солнечного света. Луч всегда содержит всю информацию об объекте, и при сопряжении линзой камера или глазное яблоко, производит такое же полное трехмерное изображение. Формула преобразования Фурье преобразует пространственные формы в пространственные волновые частоты и наоборот, поскольку все объекты по сути являются вибрирующий конструкции. Различные типы линз, действующих аналогично оптические линзы, может изменить частотность передаваемой информации.

Эта нелокальность хранения информации внутри голограммы имеет решающее значение, потому что даже если большинство частей повреждено, целое будет содержаться даже в одной оставшейся части достаточного размера. Прибрам и другие отметили сходство между оптической голограммой и объем памяти хранение в человеческом мозгу. Согласно теории голономного мозга, воспоминания хранятся в определенных общих областях, но хранятся нелокально в этих областях.[23] Это позволяет мозгу сохранять функции и память даже при его повреждении.[2][22][24] Память теряется только тогда, когда нет частей, достаточно больших, чтобы вместить целое.[3] Это также может объяснить, почему некоторые дети сохраняют нормальный интеллект, когда удаляются большие части их мозга, а в некоторых случаях половина. Это также может объяснить, почему память не теряется, когда мозг разрезается на разные поперечные сечения.[5]

Одна голограмма может хранить 3D-информацию в 2D-формате. Такие свойства могут объяснять некоторые способности мозга, в том числе способность распознавать объекты под разными углами и размерами, чем в исходной сохраненной памяти.

Прибрам предположил, что нейронные голограммы образованы дифракционными картинами колеблющихся электрических волн в коре головного мозга.[24] Представление происходит как динамическое преобразование в распределенной сети дендритных микропроцессов.[25] Важно отметить разницу между идеей голономного мозга и голографической. Прибрам не предполагает, что мозг функционирует как единая голограмма. Скорее, волны внутри меньших нейронных сетей создают локализованные голограммы в более крупных частях мозга.[5] Эта патч-голография называется голономией или оконным преобразованием Фурье.

Голографическая модель может также учитывать другие особенности памяти, которые недоступны более традиционным моделям. Модель памяти Хопфилда имеет раннюю точку насыщения памяти, до которой получение памяти резко замедляется и становится ненадежным.[22] С другой стороны, модели голографической памяти имеют гораздо большую теоретическую емкость памяти. Голографические модели могут также демонстрировать ассоциативную память, хранить сложные связи между различными концепциями и напоминать забывание насквозь "хранение с потерями ".[12]

Синаптодендритная паутина

Некоторые из различных типов синапсов

В классической теории мозга суммирование электрических входов дендриты и сома (тело клетки) нейрон либо подавить нейрон, либо возбудить его и вызвать потенциал действия вниз по аксон туда, где это синапсы со следующим нейроном. Однако это не учитывает различные разновидности синапсов, помимо традиционных аксодендритов (от аксона до дендрита). Есть свидетельства существования других видов синапсов, включая последовательные синапсы, а также синапсы между дендритами и сомой, а также между различными дендритами.[4] Многие синаптические участки являются функционально биполярными, что означает, что они могут как отправлять, так и получать импульсы от каждого нейрона, распределяя входные и выходные данные по всей группе дендритов.[4]

Процессы в этой дендритной ветви, сети теледендронов и дендритов, происходят из-за колебаний поляризации в мембране тонковолокнистых дендритов, а не из-за распространяющихся нервных импульсов, связанных с потенциалами действия.[3] Прибрам утверждает, что продолжительность задержки входного сигнала в дендритной ветви до того, как он пройдет вниз по аксону, связана с умственной осведомленностью.[4][26] Чем короче задержка, тем бессознательнее действие, а более длительная задержка указывает на более длительный период осознания. Исследование Дэвида Алкона показало, что после бессознательного Павловское кондиционирование Произошло пропорционально большее уменьшение объема дендритных ветвей, подобное синаптическому устранению, когда опыт увеличивает автоматичность действия.[4] Прибрам и другие теоретизируют, что, хотя бессознательное поведение опосредуется импульсами через нервные цепи, сознательное поведение возникает из микропроцессов в дендритной ветви.[3]

В то же время дендритная сеть чрезвычайно сложна и способна принимать от 100 000 до 200 000 входных данных в одном дереве из-за большого количества ветвлений и множества дендритных шипов, выступающих из ветвей.[4] Кроме того, синаптические гиперполяризация и деполяризация остается в некоторой степени изолированным из-за сопротивления узкой дендритной ножки шипа, позволяя поляризации распространяться без значительного прерывания на другие шипы. Этому распространению дополнительно способствуют внутриклеточные микротрубочки и внеклеточно глиальные клетки. Эти поляризации действуют как волны в синаптодендритной сети, и одновременное существование нескольких волн приводит к интерференционным картинам.[4]

Глубокая и поверхностная структура памяти

Прибрам предполагает, что существует два уровня кортикальной обработки: поверхностная структура из отдельных и локализованных нейронных цепей и глубокая структура дендритного ветвления, которая связывает поверхностную структуру вместе. Глубокая структура содержит распределенную память, а поверхностная структура действует как механизм поиска.[3] Связывание происходит за счет временной синхронизации колеблющихся поляризаций в синаптодендритной сети. Считалось, что связывание происходит только при отсутствии опережения фазы или отставания, но исследование Сола и Хамфри показало, что клетки в латеральном коленчатом ядре действительно производят их.[4] Здесь опережение фазы и запаздывание усиливают сенсорную дискриминацию, выступая в качестве рамки для захвата важных функций.[4] Эти фильтры также похожи на линзы, необходимые для голографического функционирования.

Прибрам отмечает, что голографические воспоминания обладают большой емкостью, параллельной обработкой и адресуемостью контента для быстрого распознавания, ассоциативным хранением для перцептивного завершения и для ассоциативного воспоминания.[27] В системах, наделенных памятью, эти взаимодействия, таким образом, приводят к все большему самоопределению.[28]

Недавние исследования

В то время как Прибрам первоначально разработал теорию голономного мозга как аналогию некоторых мозговых процессов, в нескольких статьях (в том числе и в некоторых более поздних работах самого Прибрама) предполагалось, что сходство между голограммой и некоторыми функциями мозга не просто метафорическое, но фактически структурное.[10][26] Другие по-прежнему утверждают, что отношения только аналогичные.[29] Несколько исследований показали, что те же самые серии операций, которые используются в моделях голографической памяти, выполняются в определенных процессах, касающихся временной памяти и оптомоторные реакции. Это указывает как минимум на возможность существования неврологических структур с определенными голономными свойствами.[9] Другие исследования продемонстрировали возможность того, что биофотон Эмиссия (биологические электрические сигналы, которые преобразуются в слабые электромагнитные волны в видимом диапазоне) может быть необходимым условием для электрической активности мозга для хранения голографических изображений.[10] Они могут играть роль в клеточной коммуникации и определенных процессах мозга, включая сон, но необходимы дальнейшие исследования, чтобы укрепить существующие.[26] Другие исследования показали корреляцию между более развитой когнитивной функцией и гомеотермия. Принимая во внимание голографические модели мозга, такое регулирование температуры уменьшит искажение сигнальных волн, что является важным условием для голографических систем.[10]

Критика и альтернативные модели

Голономная модель функции мозга Прибрама не получила широкого внимания в то время, но с тех пор были разработаны другие квантовые модели, в том числе динамика мозга Джибу и Ясуэ и диссипативная квантовая динамика мозга Витиелло. Хотя они напрямую не связаны с голономной моделью, они продолжают выходить за рамки подходов, основанных исключительно на классической теории мозга.[2][10]

Коррелограф

В 1969 г. ученые Д. Уилшоу, О. П. Бунеман и Х. Лонге-Хиггинс предложила альтернативную, неголографическую модель, которая удовлетворяла многим из тех же требований, что и исходная голографическая модель Габора. Модель Габора не объясняла, как мозг может использовать анализ Фурье для входящих сигналов или как он будет справляться с низким отношением сигнал-шум в восстановленных воспоминаниях. Модель коррелографа Лонге-Хиггина основана на идее, что любая система может выполнять те же функции, что и голограмма Фурье, если она может коррелировать пары образов. Он использует крошечные отверстия, которые не создают дифракционных картин, для создания реконструкции, подобной той, что используется в голографии Фурье.[2] Подобно голограмме, дискретный коррелограф может распознавать смещенные узоры и хранить информацию параллельным и нелокальным образом, поэтому обычно она не будет разрушена локализованным повреждением.[30] Затем они расширили модель за пределы коррелографа до ассоциативной сети, где точки стали параллельными линиями, расположенными в сетке. Горизонтальные линии представляют аксоны входных нейронов, а вертикальные линии представляют выходные нейроны. Каждое пересечение представляет собой изменяемый синапс. Хотя он не может распознать смещенные образцы, он имеет большую потенциальную емкость. Это не обязательно должно было показать, как устроен мозг, но вместо этого показать возможность улучшения исходной модели Габора.[30] П. Ван Хеерден опроверг эту модель, математически продемонстрировав, что отношение сигнал / шум голограммы может достигать 50% от идеального. Он также использовал модель с сетью нейронных голограмм 2D для быстрого поиска, накладываемого на сеть 3D для большой емкости памяти. Ключевым качеством этой модели было ее гибкость, позволяющая изменять ориентацию и исправлять искажения хранимой информации, что важно для нашей способности распознавать объект как один и тот же объект с разных углов и положений, чего не хватает моделям коррелографических и ассоциативных сетей.[15]

Приложения

Голографические модели памяти и сознания могут быть связаны с несколькими расстройствами мозга, включающими разобщенность сенсорных входных сигналов в едином сознании, включая Синдром Шарля Бонне, дизъюнктивная агнозия и шизофрения. Пациенты с синдромом Шарля Бонне переживают два совершенно разных мира в одном сознании.[31] Они видят мир, который воспринимают психологически нормальные люди, но также и упрощенный мир, пронизанный псевдогаллюцинация. Эти пациенты могут легко различать эти два мира. Поскольку теории динамического ядра и глобального рабочего пространства настаивают на том, что за сознание отвечает отдельная область мозга, единственный способ, которым пациент мог бы воспринимать два мира, - это разделить это динамическое ядро ​​и глобальное рабочее пространство.[31] Но это не объясняет, как разный контент может быть воспринят в рамках одного единого сознания, поскольку эти теории предполагают, что каждое динамическое ядро ​​или глобальное рабочее пространство создает единую согласованную реальность.[31] Первичный симптом дизъюнктивной агнозии - несогласованность сенсорной информации в едином сознании. Они могут видеть одно, но слышать что-то совершенно несовместимое с этим изображением. Шизофреники часто сообщают о переживании мыслей, которые, кажется, не исходят от них самих, как если бы идея была введена экзогенно. Человек не чувствует контроля над некоторыми мыслями, существующими в его сознании.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е Форсдайк Д. Р. (2009). «Сэмюэл Батлер и человеческая долговременная память: шкаф пуст?». Журнал теоретической биологии. 258 (1): 156–164. Дои:10.1016 / j.jtbi.2009.01.028. PMID  19490862.
  2. ^ а б c d е Эндрю А. М. (1997). «Десятилетие мозга - дальнейшие мысли». Kybernetes. 26 (3): 255–264. Дои:10.1108/03684929710163155.
  3. ^ а б c d е ж грамм час Прибрам К. Х., Мид С. Д. (1999). «Сознательная осведомленность: обработка в синаптодендритной сети». Новые идеи в психологии. 17 (3): 205–214. Дои:10.1016 / S0732-118X (99) 00024-0.
  4. ^ а б c d е ж грамм час я j Прибрам К. Х. (1999). «Квантовая голография: имеет ли она отношение к работе мозга?». Информационные науки. 115 (1–4): 97–102. Дои:10.1016 / S0020-0255 (98) 10082-8.
  5. ^ а б c Вандерверт Л. Р. (1995). «Теория хаоса и эволюция сознания и разума: термодинамико-голографическое решение проблемы разума и тела». Новые идеи в психологии. 13 (2): 107–127. Дои:10.1016 / 0732-118X (94) 00047-7.
  6. ^ Бергер Д.Х., Прибрам К.Х. (1992). «Связь между элементарной функцией Габора и стохастической моделью распределения интервала между спайками в ответах нейронов зрительной коры». Биологическая кибернетика. 67 (2): 191–194. Дои:10.1007 / bf00201026. PMID  1320946. S2CID  11123748.
  7. ^ Прибрам К.Х. (2004). «Сознание переоценено». Разум и материя. 2: 7–35.
  8. ^ а б c Габор Д. (1972). «Голография, 1948–1971». Наука. 177 (4046): 299–313. Дои:10.1126 / science.177.4046.299. PMID  4556285.
  9. ^ а б c Борселлино А., Поджио Т. (1972). «Голографические аспекты временной памяти и оптомоторных реакций». Кибернетик. 10 (1): 58–60. Дои:10.1007 / bf00288785. PMID  4338085. S2CID  10084612.
  10. ^ а б c d е Боккон Иштван (2005). «Сны и нейроголография: междисциплинарная интерпретация развития состояния гомеотермы в эволюции». Сон и гипноз. 7 (2): 47–62.
  11. ^ Габор Д. (1968). «Голографическая модель временного воспоминания». Природа. 217 (5128): 584. Дои:10.1038 / 217584a0. PMID  5641120. S2CID  4147927.
  12. ^ а б Келли М. А .; Blostein D .; Мьюхорт Д. Дж. К. (2013). «Структура кодирования в голографических сокращенных представлениях». Канадский журнал экспериментальной психологии. 67 (2): 79–93. Дои:10.1037 / a0030301. PMID  23205508.
  13. ^ Ван Хеерден П. Дж. (1963). «Новый оптический метод хранения и извлечения информации». Прикладная оптика. 2 (4): 387–392. Дои:10.1364 / AO.2.000387.
  14. ^ Ван Хеерден П. Дж. (1963). «Теория оптического хранения информации в твердых телах». Прикладная оптика. 2 (4): 393–400. Дои:10.1364 / AO.2.000393.
  15. ^ а б Ван Хеерден П. Дж. (1970). «Модели для мозга». Природа. 225 (5228): 177–178. Дои:10.1038 / 225177a0. PMID  5409963. S2CID  4224802.
  16. ^ а б c Прибрам Х.Х. (2011). «Воспоминания». Нейроквантология. 9 (3): 370–374. Дои:10.14704 / nq.2011.9.3.447.
  17. ^ Эмметт Н. Лейт и Юрис Упатниекс (1965). Фотография лазером. Scientific American Том 212, выпуск 6, 1 июня 1965 г.
  18. ^ К. Прибрам (1969). Нейрофизиология воспоминаний. Американский том 220, выпуск 1, 1 января 1969 г.
  19. ^ Подразумеваемый мозг Карл Х. Прибрам, karlhpribram.com
  20. ^ ДеВалуа и ДеВалуа, 1980
  21. ^ «Прибрам, 1987»
  22. ^ а б c Шривастава В., Эдвардс С. Ф. (2004). «Математическая модель емкой и эффективной памяти, переживающей травму». Physica A: Статистическая механика и ее приложения. 333 (1–4): 465–477. Дои:10.1016 / j.physa.2003.10.008.
  23. ^ Лонге-Хиггинс Х.С. (1968). «Голографическая модель временного воспоминания [50]». Природа. 217 (5123): 104. Дои:10.1038 / 217104a0. PMID  5635629. S2CID  4281144.
  24. ^ а б Баев К.В. (2012). «Решение проблемы генераторов центральных образов и новая концепция функций мозга». Нейрофизиология. 4 (5): 414–432. Дои:10.1007 / s11062-012-9313-х. S2CID  17264908.
  25. ^ Прибрам, Карл (1991). Мозг и восприятие: голономия и структура в обработке изображений. Laurence Erlbaum Associates, Inc. ISBN  0-89859-995-4.
  26. ^ а б c Персингер М.А., Лавалли К. (2012). «Концепция Σn = n и количественная поддержка церебрально-голографической и электромагнитной конфигурации сознания». Журнал исследований сознания. 19: 128–253.
  27. ^ Унтерсехер, Фред (1996). Справочник по голографии: простой способ создания голограмм (Второе изд.). Росс Букс. п. 354-359. ISBN  0-89496-016-4.
  28. ^ Прибрам, Карл (1991). Мозг и восприятие: голономия и структура в обработке изображений. Laurence Erlbaum Associates, Inc. ISBN  0-89859-995-4.
  29. ^ Велманс М (2003). «Мир в мозгу или мозг в мире?». Поведенческие науки и науки о мозге. 26 (4): 427–429. Дои:10.1017 / s0140525x03420098.
  30. ^ а б Уиллшоу Д. Дж .; Бунеман О. П .; Лонге-Хиггинс Х. К. (1969). «Неголографическая ассоциативная память». Природа. 222 (5197): 960–962. Дои:10.1038 / 222960a0. PMID  5789326. S2CID  27768997.
  31. ^ а б c Г.Г. Глобус; C.P. О'Кэрролл, «Нелокальная неврология: от локализации до голономии», Ирвин, 1 апреля 2010 г.

Библиография

  1. Стивен Платек и др., «Смело идти туда, куда не ушел ни один мозг: будущее эволюционной когнитивной нейробиологии», Futures, октябрь 2011 г., том 43, выпуск 8, 771–776.
  2. Дидрик Аэртс и др., «Подход квантового взаимодействия в познании, искусственном интеллекте и роботах», Издательство Брюссельского университета, апрель 2011 г.
  3. Эрвин Ласло, «В защиту интуиции: изучение физических основ спонтанного предчувствия», Журнал научных исследований, 2009 г., том 23[ненадежный источник? ]
  4. Карл Прибрам, Мозг и восприятие: голономия и структура в обработке изображений (Lawrence Erlbaum Associates, 1991), 125–150.
  5. Карл Прибрам, Форма внутри (Prospecta Press, 2013).
  6. Майкл Талбот, Голографическая Вселенная (HarperCollins, 2011).

внешняя ссылка