Краткое описание физических принципов работы мозга

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ОСНОВНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ РАБОТЫ ОРГАНИЗМА И МОЗГА (сайт не пропускает длинные заголовки)

Редакция — август 2020. Формат pdf (с иллюстрациями и ссылками) доступен в разделе ссылок на другие ресурсы — http://www.proza.ru/avtor/laplas


Предисловие

Статья является дополнением к книге «Пределы сложности искусственного интеллекта» и научно-популярной статье «Самоорганизация в организме и мозге». Ссылки на которые находятся в разделе ссылок на другие ресурсы - http://proza.ru/avtor/laplas

В статье приведено краткое описание физических принципов, лежащих в основании жизни, обобщающее соответствующие главы работ выше. Текст статьи снабжён ссылками и носит в том числе самостоятельный характер.

Учитывая, что научные теории, на которых основано описание, известны давно и являются общепринятыми, но, скорее всего, не знакомы широкому кругу читателей, ссылки даны на энциклопедии, тематические обзоры и научно-популярные материалы. 


Оглавление

1. Физические основания жизни 1
2. Эволюция и морфогенез 2
3. Нервная система 3
Ссылки 5
Дополнительно 6


1. Физические основания жизни

Интенсивный обмен открытых систем[1] веществом/энергией со средой может привести к их самоорганизации[2], когда без какого-либо специфического организующего воздействия извне в прежде хаотическом поведении элементов системы спонтанно появляется согласованность, наблюдаемая на масштабах всей системы. Такие открытые системы называются диссипативными системами[3]. Физический смысл диссипативной самоорганизации — неравновесный фазовый переход[4]. К диссипативным системам относится всё живое от клетки до биосферы.

Диссипативная система (или диссипативная структура) — это устойчивое состояние открытой системы, оперирующей вдали от термодинамического равновесия. Процесс поддержания диссипативной системой своего упорядоченного состояния называется гомеостазом[5]. Гомеостаз — это саморегуляция, способность открытой системы сохранять постоянство своих внутренних параметров посредством скоординированных реакций. Физическая суть гомеостаза — динамическое равновесие. Интенсивно взаимодействуя с непостоянной средой,  система флуктуирует на грани хаоса и порядка[6] — то приближается к равновесию, то отдаляется от него.

Рост интенсивности обмена со средой может довести неравновесие до критического и произойдёт новый неравновесный фазовый переход. Неравновесный фазовый переход — это переход через точку бифуркации[7][8], когда через короткий этап разрушения старого порядка и хаоса[9] система скачком переходит к новой более сложной организации. Способность усложняться также является элементом гомеостаза, так как рост интенсивности взаимодействия со средой не разрушает систему, а приводит к её усложнению, система продолжает активно противостоять разрушению на новом уровне сложности.

Диссипативной системой является любой живой организм, поэтому гомеостаз — это физическое основание стремления живого к самосохранению. В свою очередь, способность диссипативных систем усложняться — это основание способности живого эволюционировать или обучаться, так как обучение — это тоже усложнение.

Поведение диссипативных систем связано с неравновесными состояниями и бифуркациями, то есть с чувствительностью и непредсказуемыми изменениями режима работы. По этим причинам поведение диссипативных систем характеризуется высокой неопределённостью. По тем же причинам высокой неопределённостью характеризуется и поведение живых существ.

2. Эволюция и морфогенез

Самоорганизующимися структурами являются липосомы[10] — пузырьки, способные проходить циклы роста и деления, восстанавливаться после повреждений и обладающие селективной проницаемостью для разных веществ, появление которых было возможным в том числе в пребиотических условиях. Тогда же, считается, проходил синтез молекул РНК, способных к самокопированию. Около 4 млрд лет назад происходит объединение[11] липосом и молекул РНК, как элементов, способных выполнять функцию клеточной мембраны, и элементов, способных нести наследственную информацию. В результате возникают первые клетки[12] и начинается жизнь.

В отличие от диссипативной самоорганизации синтез липосом и молекул РНК относится к консервативной[2] самоорганизации или самосборке, которая проходит в условиях близких к равновесным и как минимум выраженного процесса гомеостаза не подразумевает. Например, простым типом консервативной самоорганизации является кристаллизация. Тем не менее так как все элементы клеток формируются в процессе самоорганизации, то усложнение клеток в ходе эволюции — это усложнение самоорганизации за счёт развития диссипативной составляющей с активным гомеостазом. И потому способных формировать чрезвычайно сложную внутреннюю структуру, в которой более равновесные и стабильные элементы определяют общую логику процессов, неравновесные и изменчивые их частные особенности. В результате поведение организмов также характеризует стабильность в целом, но активность, нелинейность[13] и непредсказуемость[1][5][7][8][9][14] во всех частных проявлениях.

В дальнейшем ходе эволюции возникает современная ДНК-РНК-белковая жизнь, где РНК сохранилась как посредник между ДНК, которая содержит информацию о структуре белков, и белками, из которых состоят клетки организма.

В объединении клеток возникают самоорганизующиеся системы нового уровня — колонии клеток, многоклеточные организмы, популяции организмов, социум, биосфера в целом. На масштабах этих систем размножение становится способом самосохранения, то есть способом самоорганизации таких макросистем, — способом их гомеостаза, противостояния среде, обновления и развития, посредством появления новых организмов и избавления от старых. Тем самым размножение, стремление воспроизводить себя, как будто противоречащее задаче самосохранения, так как требует ресурсов и создаёт конкурентов в борьбе за них, на самом деле обобщает задачи отдельного организма с задачами макросистем, элементом которых он является, и жизни в целом.

Являясь объединением самоорганизации и самокопирования, общей сутью жизни также становится самоорганизация и самокопирование — самосохранение и размножение, а дальнейшая эволюция заключается уже фактически только в усложнении этих функций. Причём даже такое разделение функций не является принципиальным, так как размножение тоже элемент гомеостаза — только на уровне макросистем.   

Самоорганизация многоклеточного организма, то есть развитие организма из одной клетки (морфогенез), происходит по общему принципу, описанному А. Тьюрингом. Согласно этому принципу, для организации системы, необязательно иметь её план, а можно ограничиться исключительно заданием правил близкого взаимодействия образующих систему элементов[15][16]. В том числе этот принцип может быть распространён на любые указанные ранее макросистемы.

Непосредственно морфогенез связан с так называемой диффузионной неустойчивостью или неустойчивостью Тьюринга, когда при наличии диффузии в системе возникает неоднородное распределение концентрации веществ, то есть некоторая пространственно-упорядоченная структура. В организме такую пространственно-упорядоченную структуру формируют вещества-морфогены, выделяемые клетками зародыша. В свою очередь, возникающие в межклеточном пространстве упорядоченные градиенты концентрации веществ, как разметка будущего органа, определяет соответствующую дифференцировку клеток, выделение ими новых веществ и новый этап упорядочения. В результате происходит постепенное, от общего к частному, развитие организма. Образование подобных структур тоже является неравновесным фазовым переходом[4], то есть происходит в неравновесной среде и вследствие бифуркаций, внося присущую таким процессам неопределённость и затрудняя исследования.

3. Нервная система

Регуляция организмов без нервной системы происходит гуморальным способом[17], когда реакцию организма определяет разница в концентрации химических веществ. В дальнейшем ходе эволюции возникает новый уровень регуляции — нервная регуляция, за которую отвечает нервная система.

В ходе эволюции эпителиальные клетки внешнего покрова животных дают начало одновременно нервным и мышечным клеткам, из которых возникает связанные нервная и мышечная системы. Нервная система[18] состоит из нервных клеток, или нейронов, и клеток нейроглии. Нейроны являются основным элементом нервной системы, они образуют в организме единую сеть, которая на входе связана с рецепторами внутренней и внешней среды, на выходе с мышцами и железами. Нейроны способны генерировать и передавать электрические импульсы, делая процесс передачи сигналов быстрым и точным, что особенно важно в многоклеточном организме.

Сеть нейронов образует определённую логическую схему — нейронную сеть, которая определяет порядок перевода сигналов рецепторов в активность мышц и желёз. В самом общем особенность организации связей в нейронной сети заключается в том, что рецепторных входов у нейронной сети больше, чем выходов к мышцам и железам. В результате по мере прохождения от входа к выходу сигналы рецепторов необходимым образом перемешиваются (в сети происходят множественные процессы дивергенции и конвергенции нервных импульсов) и «сжимаются» до активности нейронов на выходе сети, то есть до конкретных управляющих мышцами и железами импульсов. Проще говоря, за счёт множества входов воспринимая всю ситуацию целиком, за счёт малого количества выходов нейронная сеть выделяет и оставляет на выходе только необходимое для управления мышцами и железами.

Уровень нервной регуляции — это и уровень мышления. Таким образом, физиологическая суть мышления — преобразование сигналов рецепторов в активность мышц и желёз. Нервная система организует работу мышц и посредством желёз координирует с работой мышц работу остального организма. Обучение нейронной сети и тем самым накопление животным опыта связано с изменением силы синапсов[19] и в целом со свойством нейропластичности[20].

Поведение животных сложнее кишечнополостных связано с активным целенаправленным перемещением в среде. Поэтому нервная система более сложных животных должна уметь не просто реагировать на стимулы одиночными реакциями, как, например, это делают медузы, которые отвечают на воздействия генерализованным сокращением сразу всего тела, но и распознавать динамику событий и формировать последовательности ответных действий, выделять цели, обладать вниманием. Это могут рекуррентные искусственные нейронные сети[21][22], в которых добавлены обратные связи от нейронов ближе к выходу к нейронам ближе ко входу. К каковым по общему признаку рекуррентности можно отнести нейронные сети животных, способных к активному перемещению в пространстве.

В то же время конкретная архитектура связей биологической нейронной сети чрезвычайно сложна, её разные области, зоны и отделы имеют собственные архитектурные и морфологические особенности. Чем определяется разный вклад, вносимый ими в активность нейронов на выходе нейронной сети, то есть в разных областях нейронной сети мозга «концентрируется» разный опыт.

За счёт перемещения биологически активных веществ, в том числе и в пространстве между нейронами, мыслит сразу весь объём мозга, а не только сеть самих нейронов. Электрохимические процессы в нейронах и их отростках приводят к попаданию биологически активных веществ в межклеточное пространство[23]. Распространяясь по которому эти вещества влияют на соседние нейроны и клетки глии, последняя, в свою очередь, также влияет на нейроны. Внесинаптическая передача не является случайной и имеет свои механизмы, пока плохо изученные. Также окружающие нейроны ткани участвуют в образовании новых связей нейронов и несут некоторые другие функции[24].

В отличие от искусственных нейронов, сам по себе биологический нейрон является автоволновым осциллятором[25], то есть хаотически генерирует нервные импульсы, получая энергию через питательные вещества от окружающих тканей мозга. При этом за счёт обратных и нелокальных связей нейроны в мозге образуют целостную сетевую структуру. Как следствие, интенсивный приток энергии приводит её в неравновесное состояние, в результате становится возможной самоорганизация — синхронизация[26] хаотической активности нейронов.

Таким образом, продолжая уровень клеток, каждая из которых является самостоятельной самоорганизующейся системой, и уровень самоорганизации целого организма как системы клеток, нервная регуляция — это новый, третий уровень самоорганизации в организме, связанный с синхронизацией активности нейронов. Синхронизация нейронов, как появление порядка в их активности, отражается во всегда взаимно согласованной работе всех мышц и желёз, а логика организации связей нейронов — в обусловленности это работы средой и задачами животного.

Синхронизированная активность в больших популяциях нейронов является главным механизмом образования так называемых ритмов в головном мозге. В общей электрической активности головного мозга выделяют 10 типов колебаний, связанных с различными областями мозга, особенностями и элементами поведения.

В этом процессе внимание связано с селективной синхронизацией нейронов, которые реагируют на объект внимания. В результате селективной синхронизации в отношении находящегося во внимании стимула повышается скорость обработки информации, уменьшается время реакции, повышается уровень точности, чувствительности к небольшим изменениям в стимуле и восприятие контраста[27].

Селективная синхронизация возникает на самой высокой частоте ритмов мозга (гамма-ритме) и может быть представлена как ещё один — четвёртый — уровень самоорганизации. Таким образом, в общем контексте распознавания условий и построения действий, направленных на самосохранение и размножение (который задаёт структура нейронной сети в целом, собственная активность нейронов и нынешние сигналы рецепторов), в мозге формируются постоянно меняющиеся структуры нейронов, селективно синхронизированных на самой высокой частоте. Эти структуры, как аттракторы — наиболее энергичный и упорядоченный процесс в организме — притягивают к себе фазовые траектории всех остальных нейронов мозга и через них всех систем организма. Тем самым задавая нынешнюю цель поведения, упорядочивая работу мышц и желёз и через железы работу остального организма в направлении этой цели.

Как неравновесные фазовые переходы, процессы самоорганизации в ходе морфогенеза или синхронизации нейронов происходят в результате бифуркаций[4], связаны с неустойчивостью и потому чувствительностью. Из-за чего самые малые изменения[8] во внутренней и внешней среде способны нелинейно отражаться в поведении. На выбор субъекта может повлиять любая флуктуация параметров мозга или сигнал любого рецептора, которых в организме человека миллионы, или даже самая ничтожная разница в степени их активности или времени активизации. Иными словами, поведение не имеет «границ чувствительности», поэтому не может быть сколько-нибудь точно отделено от среды и, следовательно, всей сложности среды.
 
В итоге, благодаря самоорганизации и её различным проявлениям, без каких-либо специфических «организующих» механизмов обеспечивается одновременно активность, упорядоченность, чувствительность, пластичность и целенаправленность работы сложнейшей системы, которую представляет мозг и организм человека в целом.


Ссылки

1. Открытая система (физика) — Википедия.
2. Самоорганизация — Википедия.
3. Диссипативная система — Википедия.
4. Неравновесные фазовые переходы — Физическая энциклопедия. Про морфогенез и синхронизацию нейронов говорится во втором абзаце.
5. Гомеостаз — Википедия.
6. Грань хаоса — Википедия.
7. Точка бифуркации — Википедия.
8. Теория бифуркаций — Википедия. Бифуркация — это качественное изменение поведения динамической системы при бесконечно малом изменении её параметров. Поэтому при приближении к точке бифуркации даже само наблюдение начинает влиять на систему.
9. Динамический хаос — Википедия. В науке хаос — это явление, при котором поведение системы выглядит случайным, несмотря на то, что оно определяется детерминистическими законами.
10. Липосомы — Соросовский образовательный журнал.
11. Эволюция клеток — Википедия.
12. Гипотеза мира РНК — Википедия. Наиболее известная теория появления жизни.
13. Пространственно-временное моделирование в биологии. Рассматриваются отличительные особенности биологических систем.
14. Нерешаемые проблемы биологии: нельзя создать два одинаковых организма, нельзя победить рак, нельзя картировать организм на геном. Описаны различные проявления непредсказуемости биологических систем.
15. Как клетки понимают, что одни должны стать волосами, другие костями, третьи мозгами и т. п.? И из какого центра подается команда? Развитие организма из клетки упрощённо (не описана диффузионная неустойчивость).
16. Дай пять: как математика управляет развитием пальцев. Конкретный пример формирования системы организма.
17. Гуморальная регуляция — Википедия.
18. Нервная система — Википедия.
19. Синаптическая пластичность — Википедия. Основной механизм обучения.
20. Нейропластичность — Википедия. Свойство мозга, заключающееся в возможности изменяться под действием опыта, в том числе увеличивать или сокращать количество нейронов и их связей.
21. Азбука ИИ: «Рекуррентные нейросети». Популярное описание, примеры применения, реализация внимания.
22. Рекуррентная нейронная сеть — Википедия.
23. Нейропептиды — Действие — Википедия. Биологически активные вещества образуют в мозге функциональный континуум.
24. Перинейрональная сеть — Википедия. В мышлении участвуют не только нейроны.
25. Синхронизация в нейронных ансамблях, стр 368. Нормальная активность одиночного нейрона представляет собой динамический хаос.
26. Синхронизация (нейробиология) — Википедия.
27. Внимание — Википедия. Селективная синхронизация и её значение.


Дополнительно

1. Blue brain project: связи и хаос. Пример моделирования работы биологической нейронной сети. Стоит обратить внимание на правый нижний угол последней таблицы, причём речь не идёт о моделировании мышления во всей его сложности.
2. Парадокс Моравека — Википедия. Как ни странно, проще всего моделировать высокоуровневые когнитивные процессы.
3. За хранение воспоминаний могут отвечать сети молекул вне клеток. Перинейрональные сети популярно.
4. Другая часть мозга. Одна из самых известных популярных работ на тему связи мышления с окружающими нейроны тканями.
5. Сон: забыть, чтобы лучше помнить. Во время сна в мозге происходит ослабление связей между нервными клетками.

***