Човешкият мозък: неизвестен биологичен компютър

Миналият век отбеляза най-силния скок в развитието на човечеството. След като преминаха трудния път от ABC книгата до Интернет, хората не успяха да решат основната загадка, която измъчваше умовете на великите повече от сто години, а именно как работи човешкият мозък и на какво е способен на?

Досега този орган остава най-слабо проучен и в края на краищата именно той направи човек това, което е сега - най-високата степен на еволюция. Мозъкът, продължавайки да пази своите тайни и тайни, продължава да определя дейността и съзнанието на човек на всеки етап от живота му. Нито един съвременен учен все още не е в състояние да разгадае всички възможности, на които е способен. Ето защо голям брой митове и необосновани хипотези са съсредоточени около един от основните органи на нашето тяло. Това може само да показва, че латентният потенциал на човешкия мозък тепърва ще бъде проучен, но засега неговите способности надхвърлят вече установените представи за неговата работа.

Мозъчна структура

Този орган се състои от огромен брой връзки, които създават стабилно взаимодействие на клетки и процеси. Учените предполагат, че ако тази връзка се представи като права линия, нейната дължина ще бъде осем пъти по-голяма от разстоянието до Луната.

Масовата част на този орган в общото телесно тегло е не повече от 2%, а теглото му варира между 1019-1960 грама. От момента на раждането до последния дъх на човек той провежда непрекъсната дейност. Следователно той трябва да абсорбира 21% от целия кислород, който постоянно влиза в човешкото тяло. Учените са съставили приблизителна картина на усвояването на информация от мозъка: паметта му може да съдържа от 3 до 100 терабайта, докато паметта на съвременния компютър в момента се подобрява до обем от 20 терабайта.

Най-често срещаните митове за човешкия биологичен компютър

Невронните тъкани на мозъка умират по време на живота на организма, а нови не се образуват. Това е заблуда, която Елизабет Гуд се оказа абсурдна. Нервната тъкан и невроните непрекъснато се обновяват и идват нови връзки, които заменят мъртвите. Проучванията потвърждават, че в огнища на клетки, унищожени от инсулт, човешкото тяло е в състояние да „изгражда“ нов материал.

Човешкият мозък е отворен само на 5-10%, всички други възможности не са включени. Някои учени обясняват това с факта, че природата, създала такъв сложен и развит механизъм, е измислила защитна система за него, предпазваща органа от ненужен стрес. Това не е истина. Достоверно е известно, че по време на всяка човешка дейност мозъкът участва на 100%, точно в момента на извършване на каквито и да е действия отделните му части реагират на свой ред.

Суперсили. Какво може да изненада човешкия ум?

Някои хора, които външно не показват признаци на невероятни способности, може да имат наистина невероятни способности. Те не се проявяват при всички, но учените твърдят, че редовното засилено обучение на мозъка може да развие повърхностни способности. Въпреки че тайната на „подбора“ на хора, които може да имат право да бъдат наречени гений, все още не е разкрита. Някой знае как компетентно да се измъкне от трудни ситуации, някой на подсъзнателно ниво предвижда наближаващата опасност. Но следните суперсили са по-интересни от гледна точка на науката:

• Възможността за извършване на математически операции с всякаква сложност без помощта на калкулатор и изчисления на хартия;
• Възможността за създаване на брилянтни творения;
• Фотографска памет;
• Високоскоростно четене;
• Психически способности.

Удивителни случаи на разкриване на уникалните способности на човешкия мозък

През цялата история на човешкото съществуване се появяват голям брой истории, потвърждаващи факта, че човешкият мозък може да има скрити способности, да се адаптира към променящата се ситуация и да прехвърля определени функции от засегнатия отдел към здравата част.

Сонарно виждане... Тази способност обикновено се развива след загуба на зрението. Даниел Киш успя да овладее техниката на ехолокация, присъща на прилепите. Звуците, които издава, като щракане с език или пръсти, му помагат да ходи без бастун.

Мнемотехника- уникална техника, която ви позволява да възприемате и запомняте всякакво количество информация, независимо от нейното естество. Много хора го овладяват в зряла възраст, а американецът Ким Пийк притежава тази вродена дарба.

Прозорливост... Някои хора твърдят, че могат да видят бъдещето. В момента този факт не е напълно доказан, но историята познава много хора, които тази способност е прославила по целия свят.

Явления, на които човешкият мозък е способен

Карлос Родригес на 14-годишна възраст след инцидента загуби повече от 59% от мозъка си, но в същото време все още живее напълно нормален живот.

Яков Циперович, след клинична смърт и седмица в кома, спря да спи, яде малко и не остарява. От този момент минаха три десетилетия, а той все още е млад.

Фениас Гейдж е ужасно ранен в средата на 19 век. Дебел лост мина през главата му и го лиши от голяма част от мозъка му. Медицината от онези години не беше достатъчно напреднала и лекарите му предричаха бърза смърт. Човекът обаче не само не умря, но и запази паметта и яснотата на съзнанието си.

Човешкият мозък, както и тялото му, трябва да бъде подложен на постоянно обучение. Това могат да бъдат както сложни, специално проектирани програми, така и четене на книги, решаване на пъзели и логически проблеми. В същото време не трябва да се забравя за насищането на този орган с хранителни вещества. Например усилвателят на мозъчната активност HeadBooster http://hudeemz.com/headbooster има много от тях. Но все пак само постоянното обучение позволява на мозъка непрекъснато да се развива и увеличава своите възможности.

• Превод

Всички помним болезнените упражнения по аритметика от училище. Ще отнеме поне минута, за да умножите числа като 3752 и 6901 с молив и хартия. Разбира се, днес, с нашите телефони под ръка, можем бързо да проверим дали резултатът от нашето упражнение трябва да бъде 25 892 552. Съвременните телефонни процесори могат да извършват над 100 милиарда такива операции в секунда. Освен това тези чипове консумират само няколко вата, което ги прави много по-ефективни от нашите бавни мозъци, които консумират 20 вата и отнемат много повече време, за да постигнат същия резултат.

Разбира се, мозъкът не е еволюирал, за да прави аритметика. Следователно той го прави зле. Но върши отлична работа за справяне с постоянния поток от информация, идваща от нашата среда. И той реагира на това - понякога по-бързо, отколкото можем да го осъзнаем. И колкото и енергия да изразходва един обикновен компютър, той трудно ще се справи с неща, които са лесни за мозъка – например разбиране на език или бягане по стълби.

Ако можехме да създадем машини, чиято изчислителна мощност и енергийна ефективност биха били сравними с мозъка, тогава всичко би се променило драстично. Роботите ще се движат сръчно във физическия свят и ще общуват с нас на естествен език. Мащабните системи биха събирали огромни количества информация за бизнеса, науката, медицината или правителството, откривайки нови модели, намирайки причинно-следствени връзки и правейки прогнози. Интелигентните мобилни приложения като Siri и Cortana могат да разчитат по-малко на облаците. Подобна технология може да ни позволи да създаваме устройства с ниска мощност, които допълват сетивата ни, предоставят ни лекарства и емулират нервни сигнали за компенсиране на увреждане на органите или парализа.

Но не е ли твърде рано да си поставяте толкова смели цели? Дали нашето разбиране за мозъка е твърде ограничено, за да ни позволи да създаваме технологии, които работят на неговите принципи? Вярвам, че емулирането дори на най-простите функции на невронните вериги може драстично да подобри производителността на много търговски приложения. Доколко точно компютрите трябва да копират биологичните детайли на мозъка, за да се доближат до неговото ниво на производителност, е открит въпрос. Но днешните системи, вдъхновени от мозъка, или невроморфните, ще станат важни инструменти за намиране на отговор на него.

Ключова характеристика на конвенционалните компютри е физическото разделяне на паметта, която съхранява данни и инструкции, и логиката, която обработва тази информация. В мозъка няма такова разделение. Изчисляването и съхраняването на данни се извършва едновременно и локално, в обширна мрежа от приблизително 100 милиарда нервни клетки (неврони) и повече от 100 трилиона връзки (синапси). В по-голямата си част мозъкът се определя от тези връзки и как всеки от невроните реагира на входа от други неврони.

Говорейки за изключителните възможности на човешкия мозък, обикновено имаме предвид скорошното придобиване на дълъг еволюционен процес – неокортекса (нова кора). Този тънък и изключително нагънат слой образува външната обвивка на мозъка и изпълнява много различни задачи, включително обработка на информация от сетивата, контролиране на двигателните умения, работа с паметта и учене. Такава широка гама от възможности е достъпна за една доста хомогенна структура: шест хоризонтални слоя и милион вертикални колони с ширина 500 микрона, състоящи се от неврони, които интегрират и разпределят информация, кодирана в електрически импулси, по протежение на антените, растящи от тях - дендрити и аксони.

Както всички клетки в човешкото тяло, невронът има електрически потенциал от около 70 mV между външната повърхност и вътрешните органи. Това мембранно напрежение се променя, когато невронът получи сигнал от други свързани неврони. Ако напрежението на мембраната се повиши до критична стойност, то образува импулс или скок на напрежението с продължителност няколко милисекунди, от порядъка на 40 mV. Този импулс се движи по аксона на неврон, докато достигне синапса – сложна биохимична структура, която свързва аксона на един неврон с дендрита на друг. Ако импулсът отговаря на определени ограничения, синапсът го преобразува в друг импулс, минаващ надолу по разклонените дендрити на неврона, получаващ сигнала, и променя своето мембранно напрежение в положителна или отрицателна посока.

Свързаността е критична характеристика на мозъка. Пирамидалният неврон - особено важен клетъчен тип в човешкия неокортекс - съдържа около 30 000 синапса, тоест 30 000 входни канала от други неврони. И мозъкът непрекъснато се адаптира. Невронът и свойствата на синапса - и дори структурата на самата мрежа - непрекъснато се променят, главно под влияние на вход от сетивата и обратна връзка от околната среда.

Съвременните компютри с общо предназначение са цифрови, а не аналогови; мозъкът не е лесен за класифициране. Невроните съхраняват електрически заряд като кондензатори в електронни схеми. Това очевидно е аналогов процес. Но мозъкът използва взривове като единици информация и това по същество е двоична схема: по всяко време и навсякъде, взривът е налице или не. В електронни термини мозъкът е смесена сигнална система с локални аналогови изчисления и трансфер на информация с помощта на двоични пакети. Тъй като пакетът има само стойности от 0 или 1, той може да пътува на голямо разстояние, без да губи тази основна информация. Той също така се репликира, за да достигне до следващия неврон в мрежата.

Друга ключова разлика между мозъка и компютъра е, че мозъкът се справя с обработката на информация без централен генератор на часовник, който да синхронизира работата му. Въпреки че наблюдаваме синхронизиращи събития - мозъчни вълни - те се организират сами, възникващи в резултат на работата на невронните мрежи. Интересното е, че съвременните компютърни системи започват да възприемат асинхронността, присъща на мозъка, за да ускорят изчисленията, като ги извършват паралелно. Но степента и целта на успоредяване на тези две системи са изключително различни.

Идеята за използване на мозъка като модел за изчисления има дълбоки корени. Първите опити се основават на прост прагов неврон, който произвежда една стойност, ако сумата от претеглените входни данни надвишава прага, и друга, ако не. Биологичният реализъм на този подход, замислен от Уорън МакКълок и Уолтър Питс през 40-те години на миналия век, е много ограничен. Това обаче беше първата стъпка към прилагането на концепцията за стрелящ неврон като част от изчисленията.

През 1957 г. Франк Розенблат предлага друга версия на праговия неврон, персептрона. Мрежа от взаимосвързани възли (изкуствени неврони) е съставена от слоеве. Видимите слоеве на повърхността на мрежата взаимодействат с външния свят като входове и изходи, докато скритите слоеве отвътре правят всички изчисления.

Розенблат също предложи да се използва основна характеристика на мозъка: ограничаване. Вместо да събират всички входове, невроните в персептрона също могат да допринесат отрицателно. Тази функция позволява на невронните мрежи да използват един скрит слой за решаване на XOR проблеми в логиката, при които изходът е вярно, ако само един от двата двоични входа е верен. Този прост пример показва, че добавянето на биологичен реализъм може да добави нова изчислителна мощност. Но какви функции на мозъка са необходими за неговата работа и какви са безполезните следи от еволюцията? Никой не знае.

Знаем, че могат да бъдат постигнати впечатляващи изчислителни резултати, без да се опитваме да създадем биологичен реализъм. Изследователите на дълбоко обучение са направили голям напредък в използването на компютри за анализ на големи количества данни и извличане на специфични характеристики от сложни изображения. Въпреки че създадените от тях невронни мрежи имат повече входове и скрити слоеве от всякога, те все още се основават на изключително прости модели на неврони. Широките им възможности отразяват не биологичния реализъм, а мащаба на мрежите, които съдържат, и мощността на компютрите, използвани за тяхното обучение. Но мрежите за дълбоко обучение са все още далеч от изчислителната скорост, енергийната ефективност и възможностите за обучение на биологичния мозък.

Огромната пропаст между мозъка и съвременните компютри е най-добре подчертана от мащабни мозъчни симулации. През последните години бяха направени няколко подобни опита, но всички те бяха силно ограничени от два фактора: енергията и времето на симулацията. Например, помислете за симулация, извършена от Маркъс Дисман и неговите колеги преди няколко години, използвайки 83 000 процесора на суперкомпютъра K в Япония. Симулирането на 1,73 милиарда неврона изразходва 10 милиарда пъти повече енергия от еквивалентен мозъчен регион, въпреки че използва изключително опростени модели и не извършва никакво обучение. И такива симулации обикновено протичат повече от 1000 пъти по-бавно от реалното време на биологичния мозък.

Защо са толкова бавни? Симулирането на мозъка на конвенционалните компютри изисква изчисляване на милиарди взаимосвързани диференциални уравнения, които описват динамиката на клетките и мрежите: аналогични процеси като движението на заряда през клетъчната мембрана. Компютрите, които използват булева логика - която обменя енергия за прецизност - и разделя паметта и изчисленията, са изключително неефективни при моделирането на мозъка.

Тези симулации могат да се превърнат в инструмент за познаване на мозъка, прехвърляйки получените в лабораторията данни в симулации, с които можем да експериментираме и след това да сравняваме резултатите с наблюденията. Но ако се надяваме да вървим в друга посока и да използваме уроците на неврологията за създаване на нови изчислителни системи, трябва да преосмислим начина, по който проектираме и изграждаме компютрите.

Неврони в силиций.

Дублирането на работата на мозъка по електронен път може да е по-осъществимо, отколкото изглежда. Оказва се, че около 10 fJ (10 -15 джаула) се изразходват за създаване на електрически потенциал в синапса. Портата на транзистор от метален оксид полупроводник (MOS), който е много по-голям и използва повече енергия от тези, използвани в процесора, изисква само 0,5 fJ за зареждане. Оказва се, че синаптичното предаване е еквивалентно на зареждане на 20 транзистора. Освен това на ниво устройство биологичните и електронните схеми не са много различни. По принцип е възможно да се създадат структури като синапси и неврони от транзистори и да се свържат, така че да се създаде изкуствен мозък, който не абсорбира такива крещящи количества енергия.

Идеята за изграждане на компютри с помощта на транзистори, които действат като неврони, възниква през 80-те години на миналия век с професор Карвър Мийд от Калтех. Един от ключовите аргументи на Мийд в полза на „невроморфните“ компютри е, че полупроводниковите устройства могат, когато работят в определен режим, да следват същите физически закони като невроните и че аналоговото поведение може да се използва за изчисления с голяма енергийна ефективност.

Групата на Мийд изобрети и платформа за неврокомуникация, в която взривовете се кодират само от техните адреси в мрежата и времето на възникване. Тази работа стана революционна, защото беше първата, която направи времето необходима характеристика на изкуствените невронни мрежи. Времето е ключов фактор за мозъка. Сигналите се нуждаят от време, за да се разпространяват, мембраните се нуждаят от време, за да реагират и това е времето, което определя формата на постсинаптичните потенциали.

Няколко активни изследователски групи днес, като групата Giacomo Indiveri от Швейцарското висше техническо училище и Kwabena Boahen от Станфорд, последваха стъпките на Mead и успешно приложиха елементи от биологични кортикални мрежи. Номерът е да работите с транзистори с токове с ниско напрежение под техните прагове, създавайки аналогови схеми, които имитират поведението на нервната система, като същевременно консумират малко енергия.

По-нататъшни изследвания в тази посока могат да намерят приложение в системи като интерфейса мозък-компютър. Но има огромна разлика между тези системи и действителния размер на мрежата, свързаността и способността за обучение на животинския мозък.

Така около 2005 г. три групи изследователи независимо започват да разработват невроморфни системи, които са значително различни от първоначалния подход на Мийд. Те искаха да създадат мащабни системи с милиони неврони.

Най-близкото нещо до конвенционалните компютри е проектът SpiNNaker, ръководен от Стив Фърбър от университета в Манчестър. Тази група разработи свой собствен цифров чип, състоящ се от 18 ARM процесора, работещи на 200 MHz - приблизително една десета от скоростта на съвременните процесори. Въпреки че ARM ядрата идват от света на класическите компютри, те симулират пакети, изпратени през специални рутери, предназначени да предават информация асинхронно – точно като мозъка. Настоящата реализация, която е част от проекта за човешкия мозък на Европейския съюз и завършена през 2016 г., съдържа 500 000 ARM ядра. В зависимост от сложността на невронния модел, всяко ядро ​​е в състояние да симулира до 1000 неврона.

Чипът TrueNorth, разработен от Дармендра Мод и неговите колеги в изследователската лаборатория на IBM в Алмадена, премахва използването на микропроцесори като изчислителни единици и всъщност представлява невроморфна система, в която изчисленията и паметта са преплетени. TrueNorth все още остава цифрова система, но се основава на специално проектирани невро-вериги, които реализират специфичен модел на неврон. Чипът съдържа 5,4 милиарда транзистора и е изграден по 28nm CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) технология на Samsung. Транзисторите емулират 1 милион невровериги и 256 милиона прости (еднобитови) синапси на един чип.

Бих казал, че следващият проект, BrainScaleS, се премести доста далеч от конвенционалните компютри и по-близо до биологичния мозък. Работих по този проект с моите колеги от университета в Хайделберг за Европейската инициатива за човешкия мозък. BrainScaleS реализира смесена обработка на сигнали. Той съчетава неврони и синапси, които са силициеви транзистори, които действат като аналогови устройства с цифров обмен на информация. Системата в пълен размер се състои от 8-инчови силициеви пластини и емулира 4 милиона неврона и 1 милиард синапса.

Системата може да възпроизвежда девет различни режима на задействане на биологични неврони и е разработена в тясно сътрудничество с невролози. За разлика от аналоговия подход на Mead, BrainScaleS работи в ускорен режим, емулирайки го 10 000 пъти по-бързо от реално време. Това е особено полезно за учене и развитие.

Ученето вероятно ще се превърне в критичен компонент на невроморфните системи. Сега чиповете, направени по образа на мозъка, както и невронните мрежи, работещи на обикновени компютри, се обучават отстрани с помощта на по-мощни компютри. Но ако искаме да използваме невроморфни системи в реални приложения – например в роботи, които ще трябва да работят рамо до рамо с нас, те ще трябва да могат да се учат и адаптират в движение.

Във второто поколение на нашата система BrainScaleS внедрихме възможността за обучение, като създадохме „Flexibility Handlers“ на чип. Те се използват за промяна на широк спектър от параметри на неврони и синапси. Тази способност ни позволява да прецизираме параметрите, за да компенсираме разликите в размера и електрическите свойства, докато се движим от едно устройство на друго, подобно на самия мозък, който се приспособява към промените.

Трите широкомащабни системи, които описах, се допълват. SpiNNaker може да бъде гъвкаво конфигуриран и използван за тестване на различни невромодели, TrueNorth има висока плътност на интеграция, BrainScaleS е предназначен за непрекъснато обучение и развитие. Търсенето на правилния начин за оценка на ефективността на подобни системи все още продължава. Но ранните резултати са обещаващи. Групата TrueNorth на IBM наскоро изчисли, че синаптичното предаване в тяхната система консумира 26 pJ. Въпреки че това е 1000 пъти повече от енергията, необходима в биологична система, тя е почти 100 000 пъти по-малко от енергията, използвана за прехвърляне на симулации на компютри с общо предназначение.

Все още сме в ранните етапи да разберем какво могат да направят подобни системи и как да ги приложим за решаване на проблеми от реалния свят. В същото време трябва да намерим начини да комбинираме множество невроморфни чипове в големи мрежи с подобрени възможности за обучение, като същевременно намаляваме консумацията на енергия. Един от проблемите е свързаността: мозъкът е триизмерен, а нашите вериги са двуизмерни. Въпросът за триизмерното интегриране на схеми сега се проучва активно и подобни технологии могат да ни помогнат.

Устройствата, които не са базирани на CMOS - мемристори или PCRAM (памет за смяна на фазите) - могат да бъдат друга помощ. Днес теглата, които определят реакцията на изкуствените синапси към входящите сигнали, се съхраняват в конвенционалната цифрова памет, която консумира по-голямата част от силициевите ресурси, необходими за изграждането на мрежа. Но други видове памет могат да ни помогнат да намалим размера на тези клетки от микрометър на нанометър. И основната трудност на съвременните системи ще бъде поддържането на разликите между различните устройства. Принципите на калибриране, разработени в BrainScaleS, могат да помогнат за това.

Току-що започнахме нашето пътуване към практични и полезни невроморфни системи. Но усилията си заслужават. Ако успеем, ние не само ще създадем мощни изчислителни системи; можем дори да получим нова информация за това как работи собственият ни мозък.

Какво е биологична система?

Биологична системае жива структура, която съществува в специфична за него среда, която има способност за метаболизъм и енергия, както и защита на обмена и копирането на информация, което определя нейните функции и възможността за подобряване на начините за взаимодействие с среда за съхранение и предаване на информация за себе си.

Структурата на биологичната система "клетка":

1. Информационен блок- информационен код, написан под формата на ДНК молекули, РНК. По аналогия с компютърна програма, това е "въплътена дума", която определя функциите и параметрите на системата. Авторството му принадлежи на Създателя, Източника на живота, Създателя на всичко видимо и невидимо – Бог.
2. Енергиен блок- програмирани възможности за получаване, преобразуване и изразходване на енергия (циркулация на енергия). Енергията е силата, необходима за поддържане на жизнената активност на структурните елементи на системата и активиране на техните функции. Или енергията е количествена мярка за взаимодействието на всички видове материя и информация, което води до промяна в тяхното състояние или структура.
3. MPT блок(материя, плът, тяло) - външна проява на информационния код. Неговите функции са защита, съхраняване, обмен на информация. Това е матрица за съхраняване и копиране на информация. Включва: мембрани, ензими, мембранни рецептори, мембранни транспортни канали, биологично активни вещества (БАВ).

Основните задачи на биологичната система "клетка": запазване, обмен, копиране на информация, съдържаща се в нея.

За да изпълнява задачите си, преди всичко копиране, системата трябва да влезе и да бъде в определена среда, която й осигурява адекватно снабдяване с вещества и енергия.
За регулиране на процесите, осигуряващи запазване, обмен и копиране на информация, се използва принципът рецептор-медиатор.

Принцип рецептор-медиатор

Рецептор - (от лат.recipere - получавам) всяка информационно-енергийна материална система или структура (IEM система, структура), която възприема информацията и променя нейното състояние или структура по определен начин в резултат на действието на посредника.

Посредник - (посредник, предавател) всяка IEM система или структура, предназначена да предава специфична информация към рецептора.

Ние знаем за различните нива на организация на IEM системи и структури - атом, молекула, сложна молекула, вещество, вирус, клетка, тъкан, орган, организъм, колектив, хора, държава, планета земя, слънчева система, галактика, вселена.
На различни нива на организация IEM системите или структурите имат свои собствени механизми на взаимодействие рецептор-медиатор. Това важи и за комуникацията между нивата.
Изследването на тези механизми, както и търсенето на медиатори за рецептори и описанието на отговорите (промени в състоянието или структурата) на IEM системи или структури са сред задачите на учените.

Видове взаимодействие между рецептора и медиатора

1. Специфичен медиатор действа върху специфичен рецептор в биологичната система, което води до специфичен отговор.

2. Определен медиатор действа върху рецептори, които определят различни реакции на биологичната система.

3. Няколко медиатора действат върху специфичен рецептор в биологичната система, което води до специфичен отговор.

4. Няколко медиатора действат върху специфичен рецептор, което води до различни отговори на биологичната система (взаимодействие, характерно за сложните биологични системи).

Резултатът от взаимодействието на медиатора и рецептора е промяна в състоянието или структурата на системата.

Състояние на физиологичен покой- това е състояние, в което една биологична система се намира в своето местообитание и изпълнява своите задачи, без да излиза извън средните статистически данни за нейната функционална активност.

Основните механизми за регулиране на състоянието на биологичната система

1. Промяна в количеството на медиатора или рецептора (увеличаване, намаляване)
2. Промяна на качеството на медиатор или рецептор чрез промяна на тяхната структура (усилване, отслабване, унищожаване) и като следствие промяна на връзката им и предаването на информация.

В биологична система всяка IEM структура може да бъде едновременно рецептор за някои IEM структури и медиатор за други. Контрол върху регулирането на определено състояние на системата може да се постигне, когато знаем методите на действие, които променят количеството и качеството на медиатора и рецептора, отговорни за това състояние.

Възможности за промяна на състоянието на клетката

Единственият начин за промяна на състоянието и структурата на биологичната система "Клетка" е да промените медиаторния ефект на околната среда.
Промяна в околната среда, която осигурява потока от вещества, енергия и информация (вода или течност, въздух или газове, земя или органични и неорганични химични елементи, температура, физични полета, радиация, налягане) води до промяна в състоянието или структурата на клетката.

Клетъчни структури, които се променят в резултат на промените в околната среда.

1. Молекули на ДНК, РНК (източник на информация за клетката и копиране).
2. Мембрани на клетки и органели (защита на клетките и вътрешната среда).
3. Ензими (регулатори на скоростта на метаболизма, енергията, информацията в клетката).
4. Мембранни рецептори (възприема информация за клетката).
5. Транспортни канали на мембраните (врати за влизане и излизане на вещества, енергия и информация).
6. Биологично активни вещества (медиатори - продукти на клетката, предназначени да предават информация във външната и вътрешната среда).

Промяна в качеството и количеството на която и да е от тези структури в желаната посока се дължи на определена промяна в потока на течности, газ, органични или неорганични химични елементи, промени в температурата, физическите полета, радиацията, налягането.

- Как вие, бивш военен лекар, организатор с голям опит, стигнахте до теоретичния проблем за организацията на живите?

Всеки от нас в мислите си многократно се е обръщал към тази тема, често се съмнявайки в справедливостта хипотезиспонтанна поява на жив и еволюционната теория... Завинаги запазен чувствайки се изумен от "ума" на компютъраслед запознаване с неговата структура и работа. Буря от мисли предизвика изследването на човешкия геном и други организми, които не се сбъднаха усещания, прогнозии парадокси. Впечатленияобединени, подтикнати да чета отново биология, след това компютърни науки, търсене в наличното пространствовсичко, което засягаше генетика, геномика, гени. Скоро осъзнах , Какво клетката и компютърът работят въз основа на общи информационни правила.

Но трябва да се докаже!

Разбира се. Първоначално, използвайки сравнения и аналогии, се уверих, че клетката има структура, типична за компютрите. Мембраната, подобно на компютърна кутия, предпазва вътрешното съдържание на клетката от външни влияния и служи като място за свързване на входно-изходни устройства, чиято роля играят рецепторите. Функцията на дънната платка се изпълнява от цитоплазмата, като държи органелите на клетката в желаната позиция и ги свързва един с друг. И тук е "сърцето" на клетката - ядрото, хромозомите, гените, ДНК веригата в прокариотите, които изпълняват основната функция за обработка на информация, съхраняване на дългосрочна и оперативна памет, като твърд диск в технически компютър . Подобно на преносимите носители на информация - твърди и гъвкави дискове, мобилните носители работят интензивно в клетката - това са РНК, протеини, приони. Отличителна черта на всяка информационна машина е наличност на часовникаи източник на енергия... В клетката броят на деленията и времето се отчитат от теломерите, а митохондриите осигуряват енергия под формата на АТФ. Молекулярната електроника изпревари биологичните клонове на науката, потвърждавайки предвидената по-рано миниатюризация на компютрите, възможността за използване, поради своята структура и свойства, много органични молекули, включително ДНК, като транзистори, тригери, логически елементи и създаване на тяхна основа информационни машини. Лабораторни опцииорганичен компютърсъществува, софтуерза тях също е задължително.

Какви други факти свидетелстват за информационната съставка на клетките?

Струва ми се, че най-важният аргумент е геномният парадокс, чиито прояви все още не могат да бъдат обяснени по традиционни начини. Оказа се, че генна структуране винаги определя техните свойства. Разпоредбите на "ген - знак"," ген - функция"," ген - заболяване". Един и същ ген на различни етапи на развитие на организма може да изпълнява различни функции... В генната мрежа генна функцияможе да се различава от функцииизучаван в изолирано състояние. Има много гени, които са "мълчаливи", свойствата им не са известни. Структурно общите гени могат да контролират развитието на различни клетъчни варианти. Генът за хората и Drosophila произвежда един и същ сигнал - протеинов лиганд за клетките на мезодермата, контролиращ образуването на крила на муха и сдвоени човешки крайници. Началните етапи на миогенезата се осъществяват от набор от гени, често срещани при дрозофилите, нисшите и висшите животни и бозайниците, включително хората. Броят и организацията на HOX гените върху хромозомите са еднакви при почти всички бозайници. Същият ген може кодиратняколко протеина и няколко гена могат да съответстват на един и същ протеинов вариант. Дублирането на ДНК, каква роля играят и защо геномите на шимпанзетата и хората се различават толкова много на тази основа? Във Вашата рецензия ("МГ", бр.77 - 5.10.2005 г., стр.14) се отбелязва, че при хората и шимпанзетатаедни и същи гени имат различни дейности в различните органи. то поради различни програмикоито определят значителни разлики между видовете. Сега за парадоксалния брой гени и "допълнителна ДНК" в различни биологични видове... В нематода (с размер около 1 mm), гени 19903, in рибабуфер (около 10 см) - 33609, плъховеоколо 25 000 и човек- 30 000; съответно некодираща ДНК ("излишна, егоистична, боклук") в% - 25, 16, 75, 97. По-високото е организирано организъм, колкото по-малко гени в неговия геном и повече некодиращи нуклеотиди, толкова по-сложни процеси, толкова по-малко гени са необходими за осигуряване на живот. И, разбира се, за геномите не се наблюдават еволюционни серии в развитието на организмите.

В "нежеланата" част на ДНК има много идентични повтарящи се нуклеотидни последователности. Има ли информационен смисъл тук?

Предположение, основано на развитието информационни технологии, подходящо е. Сега е показано, че ако на една интегрална схемаподпечатан микропроцесори, места за съхранение на информацияи други елементи компютърни дизайнислед това неговата производителносткогато размерът се намали, той се увеличава значително. Няма нужда да „ходите“ далеч за информация, да губите допълнителна енергия. огромен информационно пространствоДНК изисква гените да концентрират своите процесорида работя с информация, пространство за нея съхранение,оперативени дългосрочно памет, което би осигурило както последователна, така и паралелна работа по анализа на входящите информацияи развиване на отговори решенияи екипи... Това постига изпълнение и дублиранев случай на " свободна практика" ситуации... Възможно е нуклеотидните повторения и дублирането на ДНК да са по някакъв начин специализирани чрез информационни функции.

Какви са съществените разлики между биологичните компютри и техническите?

- Висока надеждност поради стабилносторганични съединения и присъствието многостепенни защитни системиот увреждане на медиитеи изкривяване на собственото информация... ДНК е най-устойчивата на разпад молекула, а апоптозата е най-много ефективен защитен механизъм... огромен производителност, изчислено в трилиони операции в секунда. Органичните молекули са в състояние незабавно да променят състоянието си под въздействието лазер, видими части от светлинния спектър, звук, радиовълни. Вероятно не е случайно, че двадесет аминокиселини, участващи в изграждането на протеини, са "останали" в живите, когато позицията на аминогрупата във въглеродната верига се промени, те могат да имат достъп до функцията на двоичната бройна система. Някои от молекулите могат да генерират лазерни изстрели, да изпълняват функциите на хроматофори, светодиоди и сигнални преобразуватели. Геномите светят, издават звуци, генерират радио вълниопределени диапазони, които се записват от устройствата. Горните разсъждения направиха възможно да се даде едноклетъчен организъм и клетка информационна дефиниция. Той е органично затворен информационни машиниработещи на базата на комплекс софтуер, определяне на тяхната структурна и функционална организация, принадлежност към видовете, целеви механизмихомеостаза, възпроизвеждане на техния собствен вид, с автономно захранванеи брояч на времето... Избягвам термина електронен компютър, тъй като в клетката при обработка на информация електронен потокне се използва и не е изчисление, а логично кола.

Но аз се запознах с термина "биокомпютър" много преди вашата публикация.

Да, но в много свободни интерпретации. Всичко, което не се вписва в горната дефиниция, не е биокомпютър, включително вируси. В зората на компютърната ераВисоко организираните организми се наричали биокомпютри. Тогава представители на определени професии смятат за компютър мозък, с развитието на генетиката и геномиката - премина към генома, дори се заговори ДНК компютри... днес специалистипроучване информационни свойства на водатаобади и се " живот на биокомпютър". Водата, макар и задължителна, е само неразделна част от биологичното компютър... В клетки къде информационни процесипреобладават, по-специално в невроните, вода до 90%, в косаи ноктиса само 8-10%.

Но какво да кажем за организмиили мозък ?

Но многоклетъчните организми се състоят от биокомпютри, подредени и комбинирани по принципите информационна мрежа.

Но как биологични компютрисъставляващи организъм ?

Продуктът на информационната ера отново идва на помощ – създаден от човека глобална информационна мрежа интернет. Основното условие за функционирането на мрежатае съвместимостот всички компютриНа технически параметрии софтуер. Във всеки организъм клетките са идентични по структура и имат абсолютно еднакви софтуер. Изключението е еритроцити, те нямат ядро ​​и лишени от информационни функции... Мрежата също се нуждае от механизъм за поддържане на ред и организация, който се осигурява от поредица от технологии и протоколи интернет... Нека назовем само някои от тях. Протокол за управление на предаването (Tcp) - няма да бъдете влезли, не като се регистрирате при доставчика.Протоколиобединени информационна мрежа- живей като протоколии програмитрябва да бъде много по-голям, като се има предвид сложност, многофункционалност на процеситеи количество съставляващи мрежатабиологичен компютри. Човектова са 14 трилиона биокомпютри, един и половина пъти повече от звездив две галактикисъбрани - Млечният пъти мъглявината Андромеда... основна характеристика интернет - това е сървъри на различни сайтове в мрежата... Те са същите компютрисамо предназначени за обслужване на други компютри... Те, като имат своите програми, приличат на неврони със своята невероятна функционалност. Един човек има 20 милиарда от тях. Колкото по-високоорганизмът е организиран, толкова по-високофункционален възможностиневрони. Например, в нематода, всеки невронпредставлява 5 соматични клетки, в човекс 5000. модем със съответната програма ви позволяват да влезете в мрежата, да извършва отдалечена връзка,качване на файлове от компютър към мрежата и обратно - от нета v компютър, предоставят Регистрация, промяна на протоколаи други функции. Несъмнено това е аналог на синапсите, които осигуряват Контактимежду клетките. Информационна системачовек за днес - връх на технологиите . интернетв сравнение с него е в ембрионално състояние, неговото възрастна около 40 години. Основната разлика е огромната разлика в броя и мощността на компонентите. компютри, На трудности, наслояванеи разнообразие програми... Вярва се, че за развитие на информационни мрежисъществува само две ограничения : скорост на компютъраи пропускателна способностсвързващи канали. Така перспективи за развитие на Интернетогромен. Но днес нито един от компютрите, няма информационна системасъздадени от човека, неспособни повторете работатабиологичен компютъри най-простият многоклетъчен организъм.

Какви са основни констатации от разсъжденията ти?

Забранено е да познаваш живитебез да се изучава нейната информационна съставка, тъй като е безнадеждно да се търси жива и жизнена дейност извън клетката. Информация съставна частжив непроменен, геноми на организми стабилени имат многовариантна защита... Променливост на генома и програмище заплашва не само смърт лица, но също биологични видове. Еволюциякак се интерпретира класическа биология, не може да бъде, мутациите не се унаследяват, а " се лекуват"информационна система на живите ... Всички организми не се адаптирайте, а се съпротивлявайтефактори на околната среда и са способни да се учат от собствения си опит. Както организмите, така и техните репродуктивна възможностибяха програмирани, създадени, появили се по едно и също време. Това е един от многото прогностични целеви циклични процеси, присъщи на живите същества. Вечният проблем" Пиле" и " яйца„просто не съществува. Темпът на развитие информационни технологии, особено молекулярна електроника, изненада - за 60 години от компютърни зали пред молекулярния компютър... Учените са изненадани от кратките, според еволюционните стандарти, интервали от време, през които биологичните видове стават по-сложни, необясними мутации... Чрез създаване информационни устройства, з човечествотоможе би вече се повтаря от някой премина ти начин .Информационен компонент като основа на всеки жив организъм съществува! Днес обаче няма клон на знанието, чиято методология, цели и методи на изследване да бъдат намерени ключ към информационната части информационните процеси в живите.Време е да се лекува много често хронична болест на цивилизацията - "поток " едностранчивост тесни специалисти!Нуждаем се от информационната биология като нова наука за интеграция, която би включвала модерното информация, технически, биологичен, медицински знания, постиженияфизика, химияи ще постави задачата да научим информационната същност на живота . Тук лежи най-тайната от тайнитеи най-тайнствената от мистериите на устройството на нашия свят!

Чрез създаване информационни устройства, з човечествотоможе би вече се повтаря от някойизминато разстояние ........

Екология на съзнанието. Наука и откритие: Колкото и да се опитват, неврофизиолозите и когнитивните психолози никога няма да намерят в мозъка копие на Петата симфония на Бетовен, или копие на думи, изображения, граматически правила или всякакви други външни стимули. Човешкият мозък, разбира се, не е буквално празен. Но той не съдържа повечето от нещата, които хората смятат, че трябва – дори не съдържа такива прости обекти като „спомени“.

Колкото и да се опитват, невролозите и когнитивните психолози никога няма да намерят в мозъка копие на Петата симфония на Бетовен, или копие на думи, изображения, граматически правила или друг външен стимул. Човешкият мозък, разбира се, не е буквално празен. Но той не съдържа повечето от нещата, които хората смятат, че трябва – дори не съдържа такива прости обекти като „спомени“.

Нашите погрешни схващания за мозъка имат дълбоки исторически корени, но изобретяването на компютъра през 40-те години на миналия век особено ни обърка. Вече повече от половин век психолози, лингвисти, неврофизиолози и други изследователи на човешкото поведение твърдят, че човешкият мозък работи като компютър.

За да разберем повърхностността на тази идея, нека се преструваме, че мозъкът е бебе.Благодарение на еволюцията, новородените хора, както и новородените от всеки друг вид бозайници, влизат в този свят готови за ефективно взаимодействие с него. Зрението на бебето е замъглено, но то обръща специално внимание на лицата и може бързо да разпознае лицето на майката сред останалите. Предпочита звука на глас пред други звуци, може да различи един основен звук на речта от друг. Без съмнение сме създадени с мисъл за социалното взаимодействие.

Здравото новородено има повече от дузина рефлекси – готови реакции на определени стимули; те са необходими за оцеляване. Бебето завърта главичка в посока на тази, която гъделичка бузата му и смуче каквото попадне в устата му. Той задържа дъха си, когато е потопен във вода. Той грабва нещата, които попадат в ръцете му, толкова силно, че почти увисва на тях.

Може би най-важното е, че бебетата се появяват в този свят с много мощни механизми за обучение, които им позволяват бързо да се променят, така че да могат да взаимодействат със света с нарастваща ефективност, дори ако този свят не е същият като този, с който са се сблъсквали техните далечни предци.

Чувствата, рефлексите и механизмите на обучение са всичко, с което започвамеи в интерес на истината, има доста от тези неща, когато се замислите. Ако не разполагахме с една от тези възможности от раждането си, бихме могли да оцелеем много по-трудно.

Но има и нещо, с което не сме родени:информация, данни, правила, софтуер, знания, лексикон, представяния, алгоритми, програми, модели, памети, изображения, обработка, рутинни програми, кодери и декодери, символи и буфери са елементи на дизайна, които позволяват на цифровите компютри да се държат по начин, който донякъде наподобява разумен. Ние не просто не се раждаме с него – не го развиваме в себе си. Никога.

Ние не съхраняваме думи или правила, които ни казват как да ги използваме. Ние не създаваме визуални проекции на стимули, не ги съхраняваме в буфера за краткосрочна памет и след това не ги прехвърляме в хранилището за дългосрочна памет. Ние не извличаме информация или изображения и думи от регистрите на паметта. Компютрите правят това, но не и организмите.

Компютрите буквално обработват информация- цифри, букви, думи, формули, изображения. Първоначално информацията трябва да бъде кодирана във формат, който може да се използва от компютрите, което означава, че трябва да бъде представена като единици и нули („битове“), които са събрани в малки блокове („байтове“). На моя компютър, където всеки байт съдържа 8 бита, някои от тях означават буквата "K", други - буквата O, а трети - буквата T. По този начин всички тези байтове образуват думата "CAT". Едно-единствено изображение — да речем, снимка на моята котка Хенри на работния плот — е представено от специален чертеж от милион такива байта („един мегабайт“), дефиниран от специални знаци, които казват на компютъра, че това е снимка, а не дума.

Компютрите буквално преместват тези чертежи от място на място в различните физически отделения за съхранение, разпределени в електронните компоненти. Понякога копират чертежите, а понякога ги променят по различни начини – да речем, когато коригираме грешка в документ или ретушираме снимка.

Правилата, които компютърът следва, за да премести, копира или манипулира тези слоеве данни, също се съхраняват вътре в компютъра. Събраните набори от правила се наричат ​​"програми" или "алгоритми". Група от алгоритми, които работят заедно, за да ни помогнат да направим нещо (като купуване на акции или търсене на данни онлайн), се нарича „приложение“.

Извинявам се за това въведение в света на компютрите, но трябва да ви изясня всичко: компютрите всъщност работят върху символната страна на нашия свят.Те наистина съхраняват и извличат. Те наистина се обработват. Те имат физическа памет. Те наистина са управлявани от алгоритъм във всичко, което правят, без изключения.

От друга страна, хората не правят това – никога не са правили и никога няма да го направят.Имайки това предвид, бих искал да попитам: защо толкова много учени говорят за нашето психично здраве, сякаш сме компютри?

В книгата си In Our Own Image (2015), експертът по изкуствен интелект Джордж Заркадакис описва шест различни метафори, които хората са използвали през последните две хилядолетия, опитвайки се да опиша човешкия интелект.

Още в първия, библейски, хората са създадени от глина и кал, които тогава разумният Бог надарява с душата си, „обяснявайки“ нашия интелект – поне граматически.

Изобретението на хидротехниката през 3 век пр.н.е доведе до популяризирането на хидравличните модели на човешкия интелект, идеята, че различните течности в тялото ни – т.нар. "Телесни течности" - имат отношение както към физическото, така и към психическото функциониране. Метафората е запазена повече от 16 века, като през цялото това време се е използвала в медицинската практика.

До 16-ти век са разработени автоматични механизми, задвижвани от пружини и зъбни колела; те най-накрая вдъхновиха водещи мислители на деня, като Рене Декарт, да предположат, че хората са сложни машини.

През 17-ти век британският философ Томас Хобс предполага, че мисленето възниква от механични вибрации в мозъка. В началото на 18-ти век откритията в областта на електричеството и химията доведоха до нови теории за човешкия интелект - и отново те бяха метафорични. В средата на този век немският физик Херман фон Хелмхолц, вдъхновен от напредъка в комуникациите, сравнява мозъка с телеграфа.

Ако тази метафора е толкова глупава, защо все още управлява умовете ни?Какво ни пречи да го хвърлим настрана като ненужен, по същия начин, по който изхвърляме клон, който препречва пътя ни? Има ли начин да разберем човешкия интелект, без да разчитаме на измислени патерици? И колко ще ни струва да използваме тази поддръжка толкова дълго? Тази метафора, в крайна сметка, вдъхнови писатели и мислители да направят огромно количество изследвания в голямо разнообразие от области на науката през десетилетията. На каква цена?

В класната стая, която съм преподавал много пъти през годините, И Започвам с избора на доброволец, който да нарисува банкнота от един долар на дъската.— Още подробности — казвам аз. Когато свърши, покривам рисунката с лист хартия, вадя банкнота от портфейла си, залепвам я на дъската и моля ученика да повтори задачата. Когато той или тя свърши, премахвам листа хартия от първата рисунка и след това класът ще коментира разликите.

Може би никога не сте виждали подобна демонстрация или може би имате проблеми с представянето на резултата, затова помолих Джини Хюн, един от стажантите в института, където правя изследванията си, да направи две рисунки. Ето една рисунка по памет (обърнете внимание на метафората):

А ето и рисунката, която тя направи с помощта на банкнотата:

Джини беше толкова изненадана от изхода на случая, колкото и вие, но това не е необичайно. Както можете да видите, рисунката без подкрепата на банкнотата е ужасна в сравнение с тази, извадена от извадката, въпреки факта, че Джини е виждала доларовата банкнота хиляди пъти.

Какво става? Нямаме ли „идея“ как изглежда една доларова банкнота, „заредена“ в мозъчния „паметен регистър“? Не можем ли просто да го „извлечем“ от там и да го използваме, за да създадем нашата рисунка?

Разбира се, че не, и дори хиляди години невронаучни изследвания няма да помогнат за откриването на идеята за формата на доларова банкнота, съхранявана в човешкия мозък, просто защото я няма.

Значителна част от мозъчните изследвания показват, че в действителност многобройни и понякога огромни области на мозъка често участват в привидно тривиални задачи за запомняне на информация.

Когато човек изпитва силни емоции, милиони неврони могат да се активират в мозъка.През 2016 г. неврофизиологът от университета в Торонто Брайън Левин и колегите му проведоха проучване сред оцелелите при самолетна катастрофа, което заключи, че събитията от катастрофата са допринесли за повишена невронна активност в амигдалата, медиалния темпорален лоб, предната и задната средна линия, а също и в зрителната кора на пътници”.

Идеята, предложена от редица учени, че специфичните спомени по някакъв начин се съхраняват в отделните неврони, е абсурдна; По този въпрос, това предположение само повдига въпроса за паметта на още по-сложно ниво: как и къде в крайна сметка се записва паметта в клетка?

И така, какво се случва, когато Джини тегли доларова банкнота, без да използва проба?Ако Джини никога досега не е виждала банкнота, първата й рисунка вероятно по никакъв начин няма да прилича на втората. Фактът, че е виждала доларови банкноти преди, някак си я промени. Всъщност мозъкът й беше променен, така че тя можеше да визуализира банкнота - което по същество е еквивалентно - поне отчасти - на повторното изживяване на усещането за контакт с очите със сметката.

Разграничението между двете скици ни напомня, че визуализирането на нещо (което е процесът на пресъздаване на зрителния контакт с това, което вече не е пред очите ни) е много по-малко точно, отколкото ако наистина сме видели нещо. Ето защо ние сме много по-добри в разпознаването, отколкото в запомнянето.

Когато възпроизведем нещо в паметта(От латинското re - "отново" и production - "да създавам"), трябва да опитаме отново да преживеем сблъсъка с обект или явление; обаче, когато научаваме нещо, просто трябва да сме наясно с факта, че преди това вече сме имали опит от субективно възприемане на този обект или явление.

Може би имате нещо да възразите срещу това доказателство.Джини беше виждала доларови банкноти и преди, но не направи съзнателно усилие да „запомни“ детайлите. Може да възразите, че ако го направи, тя може да успее да нарисува второ изображение, без да използва извадката на доларовата банкнота. Въпреки това обаче, нито едно изображение на банкнотата не беше по никакъв начин „съхранено“ в мозъка на Джини. Тя просто стана по-подготвена да я рисува в детайли, точно както с практиката пианистът става по-квалифициран да изпълнява концерти за пиано, без да се налага да зарежда копие от нотите.

Въз основа на този прост експеримент можем да започнем да изграждаме основата на теория за интелектуалното човешко поведение без метафори – една от онези теории, според които мозъкът не е напълно празен, но поне освободен от тежестта на метафорите на IP.

Докато се движим през живота, ние сме изложени на множество събития, които ни се случват. Особено забележителни са три вида опит: 1) Гледаме какво се случва около нас(как се държат другите хора, звуците на музиката, инструкциите, адресирани до нас, думите на страниците, изображенията на екраните); 2) Ние сме податливи на комбинация от незначителни стимули(например сирени) и важни стимули(появата на полицейски коли); 3) Ние сме наказани или възнаградени за поведение по определен начин.накратко.

Ставаме по-ефективни, когато се променяме според този опит.- ако сега можем да кажем стихотворение или да изпеем песен, ако можем да следваме дадените ни инструкции, ако реагираме на незначителни стимули по същия начин, както на важни, ако се опитваме да не се държим по този начин че сме наказани и по-често се държим така, за да получим награда.

Въпреки подвеждащите заглавия, никой няма и най-малка представа какви промени настъпват в мозъка, след като се научим да пеем песен или да научим стихотворение. Нито песни, нито стихотворения обаче не бяха „заредени“ в мозъка ни. Просто се промени по подреден начин, така че сега можем да изпеем песен или да рецитираме стихотворение, ако са изпълнени определени условия.

Когато ни помолят да изпълним, нито песента, нито стихотворението се „издърпват” от някъде в мозъка.- както не се „извличат“ движенията на пръстите ми, когато барабаня по масата. Просто пеем или разказваме - и нямаме нужда от извличане.

Преди няколко години попитах Ерик Кандел, невролог от Колумбийския университет, който спечели Нобелова награда за идентифициране на някои от химичните промени, които настъпват в изходните неутронни синапси на Aplysia (морски охлюв), след като научи - колко време според него, ще мине, преди да разберем механизма на функциониране на човешката памет. Той бързо отговори: „Сто години“. Не се сетих да го попитам дали вярва, че IP метафората забавя прогреса на неврологията, но някои невролози наистина започват да мислят за немислимото, а именно, че тази метафора не е толкова необходима.

Редица когнитивни учени – особено Антъни Чемеро от Университета в Синсинати, автор на книгата Radical Embodied Cognitive Science от 2009 г. – сега напълно отхвърлят идеята, че човешкият мозък работи като компютър. Общото мнение е, че ние, подобно на компютрите, концептуализираме света, като извършваме изчисления върху неговите умствени образи, но Чемеро и други учени описват различен начин за разбиране на мисловния процес - те го определят като пряко взаимодействие между организмите и техния свят.

Любимият ми пример, илюстриращ огромната разлика между подхода на IP и това, което някои наричат ​​"анти-представителен" възглед за човешкото тяло, включва две различни обяснения за това как бейзболният играч може да хване летяща топка, дадени от Майкъл МакБийт, сега на адрес Щатският университет в Аризона и колеги в статия, публикувана през 1995 г. в Science.

Съгласно подхода на IP, играчът трябва да формулира груба оценка на различните начални условия на полета на топката - сила на удара, ъгъл на траекторията и т.н. - и след това да създаде и анализира вътрешен модел на траекторията, за която топката е вероятно да следва, след което трябва да използва този модел за непрекъснато насочване и коригиране на движенията, насочени към прихващане на топката във времето.

Всичко би било наред и прекрасно, ако функционирахме по същия начин като компютрите, но МакБийт и колегите му дадоха по-просто обяснение: за да хване топката, играчът трябва само да продължи да се движи така, че да поддържа постоянно визуална връзка в връзка с основната база и околната среда.пространството (технически, придържайте се към "линеен оптичен път"). Може да звучи сложно, но в действителност е изключително просто и не предполага никакви изчисления, представяния или алгоритми.

Двама амбициозни професори по психология от британския градски университет в Лийдс - Андрю Уилсън и Сабрина Голонка - класират примера за бейзбол като един от многото, които могат да се възприемат извън подхода на IP. През годините те са писали в своите блогове за това, което наричат ​​„по-последователен, натурализиран подход към научното изследване на човешкото поведение... противоречащ на доминиращия когнитивно-неврологичен подход“.

Този подход обаче далеч не е в основата на отделно движение; повечето когнитивисти все още се отказват от критиката и се придържат към метафората на IP, а някои от най-влиятелните мислители в света са направили големи прогнози за бъдещето на човечеството, които зависят от реалността на метафората.

Една от прогнозите th - направен, между другото, от футуриста Kurzweil, физика Стивън Хокинг и невролога Рандал Коен - заявява, че тъй като човешкото съзнание трябва да действа като компютърни програми, скоро ще бъде възможно човешкият ум да се зареди в машина, като в резултат на което ще станем безкрайно мощен интелект и много вероятно ще придобием безсмъртие. Тази теория е в основата на дистопичния филм "Превъзходство", в който Джони Деп играе ролята на учен, подобен на Курцвайл, чийто ум е качен в интернет - с ужасни последици за човечеството.

За щастие, тъй като IP метафората в никакъв случай не е правилна, никога не трябва да се притесняваме, че човешкият ум ще полудее във виртуалното пространство и никога не можем да постигнем безсмъртие, като го качим навсякъде. Причината за това е не само липсата на съзнателен софтуер в мозъка; проблемът е по-дълбок – да го наречем проблем за уникалността – което звучи и вдъхновяващо, и депресиращо едновременно.

Тъй като в мозъка не съществуват нито банки памет, нито „представления“ на стимули и тъй като всичко, което се изисква от нас, за да функционираме в света, са промени в мозъка в резултат на нашия опит, няма причина да вярваме, че едно и също преживяване се променя всеки от нас в еднаква степен. Ако вие и аз присъстваме на един и същ концерт, промените, които се случват в мозъка ми при звуците на Симфония № 5 на Бетовен, почти сигурно ще се различават от тези, които се случват във вашия мозък. Тези промени, каквито и да са те, са създадени на базата на уникална невронна структура, която вече съществува и всяка от които се е развила в хода на живота ви, изпълнен с уникални преживявания.

Както показва сър Фредерик Бартлет в книгата си „Спомняне“ (1932), ето защо двама души никога няма да повторят историята, която чуват по един и същи начин, и с течение на времето техните истории ще стават все по-различни една от друга.

Не се прави "копие" на историята; по-скоро всеки индивид, след като чуе история, се променя до известна степен - достатъчно, за да бъде попитан за историята по-късно (в някои случаи, дни, месеци или дори години след като Бартлет за първи път им прочете историята) - те ще могат да преживеят до известна степен моментите, когато са слушали историята, макар и не много точно (вижте първото изображение на доларовата банкнота по-горе.).

Предполагам, че това е вдъхновяващо, защото означава, че всеки от нас е наистина уникален - не само в нашия генетичен код, но дори и в това как мозъкът ни се променя с течение на времето. Освен това е депресиращо, тъй като прави трудната задача на неврологията почти отвъд въображението. За всяко от ежедневните преживявания подредената промяна може да включва хиляди, милиони неврони или дори целия мозък, тъй като процесът на промяна е различен за всеки отделен мозък.

За да се влоши нещата, дори ако имахме възможността да направим моментна снимка на всички 86 милиарда неврони в мозъка и след това да симулираме състоянието на тези неврони с помощта на компютър, този обширен шаблон няма да работи за нищо извън мозъка, в който се намира първоначално създадена..

Това е може би най-чудовищният ефект, който метафората на IP е имала върху нашето разбиране за функционирането на човешкото тяло. Докато компютрите съхраняват точни копия на информацията - копия, които могат да останат непроменени с течение на времето, дори ако самият компютър е бил изключен - нашият мозък поддържа интелигентността само докато сме живи. Нямаме бутони за включване/изключване.

Или мозъкът продължава своята дейност, или ние изчезваме.Освен това, както неврологът Стивън Роуз посочи в книгата си „Бъдещето на мозъка“ от 2005 г., моментна снимка на текущото състояние на мозъка също може да бъде безсмислена, ако не знаем пълната житейска история на собственика на този мозък – може би дори подробности за социалната среда, в когото е израснал.

Помислете колко сложен е проблемът. За да разберем поне основите на това как мозъкът поддържа човешкия интелект, може да се наложи да разберем не само текущото състояние на всичките 86 милиарда неврони и техните 100 трилиона пресечки, не само различните силни страни, с които са свързани, но и как мозъчната активност в момента поддържа целостта на системата.

Добавете тук уникалността на всеки мозък, създадена отчасти от уникалността на жизнения път на всеки човека прогнозата на Кандел започва да изглежда прекалено оптимистична. (В наскоро пуснататаРедактор на колони в Орск Неврологът от New York Times Кенет Милър предположи, че ще са необходими „векове“, за да се разберат основните невронни връзки.)

Междувременно огромни суми пари се харчат за изследвания на мозъка, базирани на често погрешни идеи и неизпълнени обещания. Най-впечатляващият случай на объркани изследвания в неврологията беше документиран в наскоро публикуванаНаучно-американски доклад ... Ставаше дума за сумата от 1,3 милиарда долара, отпусната за проекта Human Brain, стартиран от Европейския съюз през 2013 г.

Убедени от харизматичния Хенри Маркрам, че може да създаде симулация на човешкия мозък на суперкомпютър до 2023 г. и че подобен модел ще направи пробив в лечението на болестта на Алцхаймер и други заболявания, властите на ЕС финансираха проекта буквално без ограничения. . По-малко от 2 години по-късно проектът се превърна в мозъчен обрат и Маркрам беше помолен да напусне поста си.

Ще ви бъде интересно:

Ние сме живи организми, а не компютри. Справете се с това.Нека продължим да се опитваме да разберем себе си, но в същото време да се освободим от ненужния интелектуален товар. Метафората на IP е продължила половин век, като донесе оскъдно количество открития. Време е да натиснете бутона DELETE.публикувани

Превод: Влада Олшанская и Денис Пронин.

Представете си експериментално нанолекарство, което е способно да свърже умовете на различни хора. Представете си група от приключенски невролози и инженери, които откриват нов начин за използване на това лекарство - стартиране на операционна система точно в мозъка. Тогава хората ще могат да общуват телепатично помежду си с помощта на умствен чат и дори да манипулират телата на други хора, подчинявайки действията на мозъка си. И въпреки факта, че това е сюжетът на научнофантастичната книга на Рамез Наам „Nexus“, описаното от него бъдеще на технологиите не изглежда толкова далечно.

ИДЕЯ НА КРАТКО

Въз основа на примера на следните три технологични проекта и луди изследователски идеи, може да се разбере, че вече имаме един крак в бъдещето, където парализираните пациенти ще могат да се свързват с външния свят, където паметта на мозъка може да бъде разширена чрез добавяне на импланти, а компютърният чип ще работи върху живи неврони.човешки мозък.

Как да свържете мозъка си с таблет и да помогнете на парализирани пациенти да общуват

За пациента Т6 2014 г. беше най-щастливата година в живота му. Това беше годината, в която тя успя да контролира таблетния компютър Nexus, използвайки електромагнитно излъчване от мозъка си и буквално да пътува от ерата на 1980-те с тяхната Disk Operating System (DOS) до новата ера на Android OS.

T6 е 50-годишна жена с амиотрофична латерална склероза, известна още като болестта на Лу Гериг, която причинява прогресивно увреждане на моторните неврони и парализа на всички органи в тялото. Т6 е парализиран почти напълно от шията и надолу. До 2014 г. тя абсолютно не можеше да взаимодейства с външния свят.

Парализата може да възникне и от увреждане на костния мозък, инсулт или невродегенеративни заболявания, които блокират способността да се говори, пише и като цяло се общува с другите.

Ерата на интерфейсите мозък-машина процъфтява преди две десетилетия със създаването на помощни устройства в помощ на тези пациенти. Резултатът беше фантастичен: проследяването на очите и проследяването на главата направи възможно проследяването на движенията на очите и използването им като изход за управление на курсора на мишката върху екрана на компютъра. Понякога потребителят може дори да щракне върху връзката, фиксирайки погледа си в една точка на екрана. Това се нарича "време на забавяне".

Системите за проследяване на очите обаче бяха трудни за очите на потребителя и твърде скъпи. Тогава се появи и технологията на невронното протезиране, когато се елиминира посредник под формата на сетивен орган и мозъкът комуникира директно с компютър. Микрочип се имплантира в мозъка на пациента и невросигналите, свързани с желание или намерение, могат да бъдат декодирани с помощта на сложни алгоритми в реално време и използвани за управление на курсора в интерфейса на компютъра.

Преди две години пациент Т6 беше имплантиран в лявата част на мозъка, отговорен за движението, 100-канален комплект електроди. Успоредно с това лабораторията в Станфорд работеше върху прототип на протеза, която би позволила на парализирани хора да въвеждат думи на специално проектирана клавиатура, само като мислят за тези думи. Устройството работи по следния начин: вградените в мозъка електроди записват мозъчната активност на пациента в момента, когато тя погледне желаната буква на екрана, предава тази информация на невропротезата, която след това интерпретира сигналите и ги превръща в непрекъснат контрол на курсора и щраква върху екрана.

Този процес обаче беше изключително бавен. Стана ясно, че изходът ще бъде устройство, което работи без директна физическа връзка с компютъра през електродите. Самият интерфейс също трябва да изглежда по-интересен, отколкото през 80-те. Изследователският екип на BrainGate Clinical Institute осъзна, че тяхната система за насочване и щракване е като докосване с пръст върху сензорен екран. И тъй като повечето от нас използват тъчпадове всеки ден, пазарът за тях е огромен. Просто трябва да изберете и купите някой от тях.

Парализираният пациент Т6 успя да „докосне“ екрана на таблета Nexus 9. Невропротезата комуникира с таблета чрез Bluetooth, тоест като безжична мишка.

В момента екипът работи върху удължаването на живота на импланта за цял живот, както и върху разработването на системи за други двигателни маневри като „избиране и плъзгане“ и мултисензорни движения. Освен това BrainGate планира да разшири програмата си с други операционни системи.

Компютърен чип, направен от живи мозъчни клетки

Преди няколко години изследователи от Германия и Япония успяха да симулират 1% от човешката мозъчна активност за една секунда. Това беше възможно само благодарение на изчислителната мощност на един от най-мощните суперкомпютри в света.

Но човешкият мозък все още е най-мощният, нискоенергиен и ефективен компютър. Ами ако силата на този компютър може да бъде използвана за захранване на бъдещи поколения машини?

Колкото и налудничаво да звучи, неврологът Ош Агаби стартира проекта Koniku само за да постигне тази цел. Той създаде прототип на 64-невронен силициев чип. Първото приложение на тази разработка беше дрон, който може да мирише на експлозиви.

Пчелите се отличават с една от най-чувствителните обонятелни способности. Всъщност те дори се движат през пространството чрез миризма. Агаби създаде дрон, който съперничи на способността на пчелата да разпознава и интерпретира миризми. Може да се използва не само за военни цели и за откриване на бомби, но и за изследване на земеделски земи, петролни рафинерии - всички места, където здравето и безопасността могат да бъдат измерени по миризма.

По време на процеса на разработка Агаби и неговият екип се справиха с три основни проблема: структурират невроните по начина, по който са структурирани в мозъка, четат и записват информация във всеки отделен неврон и създават стабилна среда.

Технологията за индуцирана диференциация на плурипотентна клетка е метод, при който зряла клетка, например кожата, е генетично интегрирана в оригиналната стволова клетка, което позволява на всяка клетка да се превърне в неврон. Но като всеки електронен компонент, живите неврони се нуждаят от специално местообитание.

Поради това невроните бяха поставени в контролирана среда, за да регулират температурата и нивата на водород вътре, както и да ги захранват. В допълнение, такава обвивка ви позволява да контролирате взаимодействието на невроните един с друг.

Електродите под обвивката позволяват да се чете или записва информация към невроните. Агаби описва този процес по следния начин:

„Ние увиваме електродите в обвивка от ДНК и обогатени протеини, които стимулират невроните да образуват изкуствена плътна връзка с тези проводници. Така че можем да четем информация от неврони или, обратно, да изпращаме информация до невроните по същия начин или чрез светлина или химични процеси."

Агаби вярва, че бъдещето на технологиите се крие в отключването на възможностите на така наречения wetware – човешкия мозък в съотношение с машинните процеси.

„Няма практическо ограничение за това колко големи ще направим бъдещите си устройства или колко различно можем да моделираме мозъка. Биологията е единствената граница."

По-нататъшните планове на Koniku включват разработването на чипове:

• с 500 неврона, които ще карат кола без шофьор;
• с 10 000 неврона – ще може да обработва и разпознава изображения по начина, по който го прави човешкото око;
• със 100 000 неврона - ще създаде робот с мултисензорен вход, който ще бъде практически неразличим от човек по своите възприятия;
• с милион неврони - ще ни даде компютър, който ще мисли за себе си.

Чип с памет, вграден в мозъка

Всяка година стотици милиони хора изпитват затруднения със загубата на памет. Причините за това са различни: увреждане на мозъка, което измъчва ветерани и футболисти, инсулти или болест на Алцхаймер, която се проявява в напреднала възраст, или просто стареене на мозъка, което очаква всички ни. Д-р Теодор Бергер, биомедицински инженер в Университета на Южна Калифорния, финансиран от Агенцията за напреднали изследователски проекти в областта на отбраната (DARPA), тества имплант за разширяване на паметта, който имитира обработката на сигнали, когато невроните отказват да работят с нови дългосрочни спомени.

За да работи устройството, учените трябва да разберат как работи паметта. Хипокампусът е областта на мозъка, която е отговорна за трансформирането на краткосрочните спомени в дългосрочни. Как го прави? И възможно ли е да се симулира неговата дейност в рамките на компютърен чип?

„По принцип паметта е поредица от електрически импулси, които възникват с течение на времето и се генерират от определен брой неврони,“ обяснява Бергер. „Това е много важно, защото означава, че можем да сведем този процес до математическо уравнение и да поставим в рамките на изчислителния процес."

И така, невролозите започнаха да декодират потока от информация в хипокампуса. Ключът към това дешифриране беше силен електрически сигнал, който отива от областта на органа, наречен CA3 - "входа" на хипокампуса - към CA1 - "изходния" възел. Този сигнал е отслабен при хора с нарушена памет.

„Ако можехме да го пресъздадем с помощта на чип, щяхме да възстановим или дори да увеличим обема на паметта“, казва Бергер.

Но е трудно да се проследи този път на декриптиране, тъй като невроните работят нелинейно. И всеки незначителен фактор, включен в процеса, може да доведе до съвсем различни резултати.Въпреки това математиката и програмирането не стоят на едно място и днес могат заедно да създават най-сложните изчислителни структури с много неизвестни и много "изходи".

Като начало учените научиха плъховете да натискат един или друг лост, за да получат лакомство. В процеса на запомняне от плъхове и превръщането на тази памет в дългосрочна, изследователите внимателно записаха и записаха всички трансформации на невроните, а след това, използвайки този математически модел, създадоха компютърен чип. След това те инжектират на плъхове вещество, което временно дестабилизира способността им да запомнят и инжектират чипа в мозъка. Устройството засегна изходния орган на CA1 и изведнъж учените установиха, че паметта на плъховете за това как се прави лакомството е възстановена.

Следните тестове бяха извършени върху маймуни. Този път учените се фокусираха върху префронталната кора, която приема и модулира спомени от хипокампуса. На животните бяха показани поредица от изображения, някои от които се повтаряха. След като фиксираха активността на невроните в момента, в който те разпознаха същата картина, на негова основа бяха създадени математически модел и микросхема. След това работата на префронталната кора на маймуните беше потисната от кокаин и учените отново успяха да възстановят паметта.

В проучвания при хора Бергер избрал 12 епилептични доброволци с вече имплантирани електроди в мозъка им, за да проследи източника на техните припадъци. Повтарящите се припадъци унищожават ключови части на хипокампуса, които са необходими за формиране на дългосрочни спомени. Ако, например, изучаване на дейността на мозъка по време на припадъци, ще бъде възможно да се възстанови паметта.

Точно както в предишни експерименти, беше записан специален човешки "код на паметта", който по-късно може да предскаже модела на активност в CA1 клетки въз основа на данни, съхранявани или генерирани в CA3. В сравнение с "реалната" мозъчна активност, такъв чип работи с точност от около 80%.

Твърде рано е да се говори за конкретни резултати след експерименти върху хора. За разлика от моторната кора на мозъка, където всяка секция отговаря за определен орган, хипокампусът е организиран хаотично. Също така е твърде рано да се каже дали такъв имплант ще може да възстанови паметта на тези, които страдат от увреждане на "излизащата" част на хипокампуса.

Проблемен въпрос остава въпросът за геометрията на алгоритъма за такъв чип, тъй като експерименталният прототип е създаден на базата на индивидуални данни на конкретни пациенти. Ами ако кодът на паметта е различен за всеки, в зависимост от типа на входа, който получава? Бергер припомня, че мозъкът също е ограничен от своята биофизика:

„Има толкова много начини, по които електрическите сигнали в хипокампуса могат да бъдат обработени, които, въпреки многото си, все пак са ограничени и разбира се“, казва ученият.

Анастасия Львова