Истинный творец всего. Как человеческий мозг сформировал вселенную в том виде, в котором мы ее воспринимаем

Николелис Мигель

В таком контексте главный вопрос заключается в том, каким образом мозгу удается так быстро формировать такие аналоговые компьютеры для каждого случая и как эти разные органические единицы могут надежно осуществлять точные движения – будь то движения скрипача, балерины, подающего в бейсболе или хирурга.

Второй принципиально важный вопрос: как согласуются локальный и общий режим действия мозга? На одном из уровней мозг использует для обмена информацией между нейронами электрические импульсы, называемые потенциалами действия. Цифровая природа этой информации определяется как бинарным способом создания этих потенциалов действия (все или ничего), так и точным расписанием их создания каждым отдельным нейроном из сети нейронов. Последовательности таких потенциалов действия передаются по аксонам нейронов; когда они достигают синапсов (концевых зон контакта между аксоном и другим нейроном), эти электрические сигналы вызывают высвобождение в синаптическую щель нейромедиаторов. Передача и обработка этих цифровых сигналов

может быть описана с помощью теории информации Клода Шеннона, т. е. мы можем измерить информацию в этих сигналах в битах и байтах, как мы бы описали информацию, передающуюся по телефонным линиям или содержащуюся в символах в вашем компьютере.

Но мозг также опирается и на аналоговые сигналы нейронов, поскольку только они в полной мере способны обеспечить тип обработки информации, необходимый нашей центральной нервной системе для осуществления человеческих поведенческих реакций. Как обсуждалось в главе 3, я предполагаю, что кроме информации Шеннона мозг животных (и особенно человека) использует аналоговую информацию Гёделя для реализации функций и поведенческих реакций, отличающих животных от цифровых машин. Если говорить попросту, только аналоговый сигнал может представлять точную аналогию с физическими параметрами, с которыми мы сталкиваемся в природе, такими как электрическое напряжение или ток, температура, давление или магнитные поля. Подобно этим физическим параметрам, генерируемые нейронами сигналы тоже должны постоянно изменяться во времени, чтобы позволить мозгу правильно выполнять свою работу. При этом цифровая версия таких сигналов нейронов отражает лишь отдельные элементы из непрерывных спектров сигналов, отбираемые через какие-то предопределенные интервалы времени. И хотя точное время производимого нейроном электрического импульса можно задать цифровым способом, все генерируемые этими клетками мозга электрические сигналы, такие как их мембранный и синаптический потенциал, а также сам потенциал действия являются аналоговыми волнами с переменным во времени электрическим напряжением. Более того, общая электрическая активность мозга, складывающаяся из сочетания синаптических потенциалов и потенциалов действия миллиардов нейронов, тоже представляет собой аналоговый сигнал. На основании всего этого я предполагаю, что мозг животных и человека функционирует с помощью гибридного аналого-цифрового вычислительного механизма.

После нескольких лет изысканий мне стало ясно, что максимальная скорость проведения потенциалов действия нервными клетками (около 120 метров в секунду) недостаточна для объяснения скорости, с которой мозг выполняет некоторые из своих самых важных функций, таких как объединение многих когнитивных способностей в единый разум. Поэтому я начал искать аналоговый сигнал, который мог бы распространяться через весь мозг со скоростью, близкой к скорости самой быстрой вещи на свете – нет, речь идет не о принимающем игроке из команды «Филадельфийских орлов», а о чем-то еще более быстром вроде скорости света!

Одна из важнейших структурных особенностей человеческого мозга – наличие плотно упакованных пучков и петель нервных клеток, образованных десятками миллионов аксонов, ответственных за передачу быстрых последовательностей потенциалов действия из одной области мозга в другую (главы 2 и 4). Как выяснил Майкл Фарадей в начале XIX века, электрические токи создают магнитные поля. Аналогичным образом изменения магнитного поля приводят к спонтанному возникновению электрического тока в проводнике. Помня об этом, я начал размышлять о том, что все эти петли белого вещества в нашем мозге не просто проводят электричество, но покрывают мозг множеством изменяющихся во времени нейронных электромагнитных полей. Вот почему мне нравится называть белое вещество, соединяющее кортикальные и субкортикальные структуры, биологическим соленоидом.

Электрическое поле коры начали измерять с середины 1920-х годов с помощью метода электроэнцефалографии. Кроме того, на данный момент уже на протяжении нескольких десятилетий с помощью метода магнитоэнцефалографии измеряют и магнитное поле мозга. Однако этот последний метод в основном ограничивается анализом коры, поскольку пока еще не созданы достаточно чувствительные методы исследований, которые позволили бы ученым проникнуть в более глубокие слои мозга.

Релятивистская теория мозга предполагает, что крайне сложные пространственно-временные нейронные электромагнитные поля возникают в результате прохождения электрических потенциалов через множество биологических соленоидов, которыми усеян наш мозг.

Важно отметить, что эти биологические соленоиды образованы не только очень большим количеством петель нервов, но и мириадами других колец белого вещества разного размера, включая микроскопические кольца, образованные дендритами и аксонами небольших сетей нейронов. Учитывая такое общее анатомическое строение, релятивистская теория мозга предсказывает существование не только уже известных кортикальных полей, но и большого количества субкортикальных электромагнитных полей.

Я считаю, что ядром уникальных вычислительных способностей нашего мозга является рекурсивное взаимодействие между этими двумя классами мозговых сигналов – цифровых потенциалов действия и возникающих в результате их прохождения по нервам аналоговых электромагнитных полей (рис. 5.1). В этом контексте

я предполагаю, что электромагнитные поля нейронов обеспечивают появление эмерджентных свойств нейронов, которые мы считаем необходимыми для проявления высших ментальных и когнитивных способностей человеческого мозга. Дело в том, что такие электромагнитные поля служат своеобразным физиологическим «клеем», необходимым для слияния всего неокортекса в единый органический компьютер, способный объединять все наши мыслительные способности, а также обеспечивать очень быструю координацию между кортикальными и субкортикальными отделами мозга. За счет всего этого мозг способен выступать в роли единого компьютера. Это происходит по причине того, что находящиеся вдали от равновесия множественные аналоговые электромагнитные поля мозга согласуются между собой и создают то, что я называю нейронным пространственно-временным континуумом. В таком контексте нейронное пространство и время сливаются точно так же, как в общей теории относительности Альберта Эйнштейна для всей вселенной.

Рис. 5.1. Две схемы рекуррентных аналогово-цифровых взаимодействий в коре, опосредованных нейронными электромагнитными полями (НЭМП), в соответствии с релятивистской теорией мозга. A: Нейроны создают ряд электрических потенциалов действия – основных производимых мозгом сигналов цифрового рода, которые затем, при передаче по пучкам нервов, могут создавать аналоговые сигналы – электромагнитные поля. B: Далее такие электромагнитные сигналы способствуют возникновению новых потенциалов действия в соседних нейронах (рисунок Кустодио Роса).

В целом, по моему мнению, это электромагнитное взаимодействие позволяет мозгу координировать и точно синхронизировать активность отдельных частей, даже если они разделены между собой пространством или временем. Как в теории Эйнштейна, где время и пространство «сворачиваются» из-за наличия массы, изменяя пространственно-временные отношения между предметами, я полагаю, что этот пространственно-временной континуум нейронов тоже может в некоем нейрофизиологическом смысле «сворачиваться». В результате это приводит к слиянию отдельных частей мозга, достаточно удаленных друг от друга физически, в единую нейрофизиологическую/вычислительную единицу. Я считаю, что этот феномен – в менее развитой форме – существует у всех высших млекопитающих. Но, как мне кажется, у человека образующийся нейронный континуум (или ментальное пространство, как мне нравится его называть) представляет собой аналоговый нейронный субстрат, из которого возникают все сложнейшие функции человеческого мозга.

Динамика ментального пространства зависит от нескольких факторов: пространственного распределения и состава нейронных ансамблей мозга; структурных особенностей нервных путей и петель белого вещества, связывающих эти кластеры нейронов; доступной для мозга энергии; различных типов нейромедиаторов в нервной ткани; а также наших воспоминаний, являющихся ключевым компонентом в определении собственной точки зрения мозга. На самом деле изменения одного, нескольких или многих отдельных компонентов (таких как пространственная конфигурация, плотность аксонов и уровень миелина в некоторых петлях белого вещества) вдобавок к увеличению объема мозга и количества нейронов, возможно, и были причиной столь значительного развития способностей мозга, произошедшего более чем за 6 миллионов лет эволюции гоминидов.

Чтобы проанализировать некоторые идеи, возникшие в рамках релятивистской теории мозга, мой аспирант в Университете Дьюка Вивек Субраманян создал модель рекуррентной аналого-цифровой вычислительной системы, в которой отдельные нейроны возбуждаются с образованием потенциалов действия цифрового рода, что может приводить к возникновению электромагнитных полей, которые в результате индукции вызывают следующий цикл возбуждения тех же нейронов. После нескольких циклов работы системы Вивек обнаружил, что при возбуждении очень небольшого набора нейронов с образованием единственного потенциала действия вся сеть распределенных в пространстве нейронов быстро эволюционирует и достигает состояния точной синхронизации, так что большинство образующих ее нейронов возбуждаются одновременно, создавая идеальные ритмические колебания. Такая точная синхронизация отдельных нейронов также сказывается на электромагнитных полях, возникающих при совместном действии нейронов этого ансамбля. Хотя эта простая модель не является окончательным доказательством, она подтверждает, что рекуррентные аналого-цифровые взаимодействия нейронов могут быть задействованы в механизме масштабной синхронизации, необходимой для связывания многих кортикальных и субкортикальных структур в единую вычислительную единицу. Кроме того, это исследование открывает путь к созданию на основе мозга аналого-цифровых вычислительных систем, которые в будущем могут оказаться более эффективными, чем современные цифровые алгоритмы машинного обучения, используемые для создания искусственного интеллекта в попытках имитировать поведение человека. Я считаю, что это возможно, поскольку рекурсивные аналого-цифровые вычислительные системы смогут решать задачи, которые считаются недостижимыми для современных цифровых компьютеров.