Восприятие как фазовый переход
Мозг составляет всего 2% человеческого тела, но он использует непропорционально большое количество энергии (более 20%), что показывает, что для создания интеллекта требуется большое количество метаболической энергии.
Поэтому энергетические соображения очень важны для понимания природы биологического интеллекта в нашем мозге.
Энергетический цикл рассматривается следующим образом:
• Начинается все с неупорядоченного фонового состояния с высокой энтропией и низкой аналитической амплитудой.
• После активации HCA значимым стимулом синхронизированная активность нейронных популяций быстро распространяется по всей коре и создает высокоструктурированные AM-паттерны с низкими энтропийными состояниями, колеблющимися в узкой полосе частот (гамма).
Формирование паттернов АМ можно рассматривать как процесс конденсации, который приводит к рассеиванию избыточной энергии в виде тепла, которое уносится кровотоком.
• Шаблон AM поддерживается в течение некоторого времени в метастабильном динамическом состоянии, которое, соответствует SOC, синхронизированной активности протяженных нейронных популяций.
• Но со временем в виде мелких фазовых конусов проявляются нарушения в аналитической фазе кортикальной ткани. Энергия, выделяемая во время формирования паттерна АМ, пополняется за счет метаболизма, таким образом, погашая кислородную задолженность.
• Синхронность, представленная в паттерне АМ, находится под постоянной угрозой бомбардировки входных стимулов, что приводит к деградации структуры, что можно рассматривать как процесс испарения.
Следовательно, нейроны расцепляют свою динамику, поскольку они освобождаются от связывания, представленного структурой.
• В конечном итоге паттерн АМ распадается, общий уровень огневой активности снижается, а аналитическая амплитуда уменьшается. Система возвращается в хаотическое фоновое состояние, и цикл завершается.
Вкратце, во время всплесков узкополосные метастабильные амплитудные модуляции (АМ) появляются на долю секунды и в конечном итоге растворяются в широкополосной случайной фоновой активности.
Пакетный процесс зависит от ранее изученных условных раздражителей (CS), поэтому разные AM-паттерны могут возникать в ответ на разные CS.
В настоящее время принято рассматривать кору головного мозга как орган, поддерживающий себя в динамическом состоянии на грани критичности.
Критичность в математике и физике связана с моментом внезапного перехода из одного состояния в другое. В термодинамике этот термин обозначает точку на границе раздела фаз между твердой, жидкой и газообразной фазами.
Вблизи критической точки состояние системы резко меняется с изменением некоторого управляющего параметра, поведение которого наблюдается при работе коры.
Метастабильность - это связанное фундаментальное поведение, используемое для характеристики динамики и познания мозга. Метастабильность указывает на непрерывное взаимодействие между фазовой синхронностью и фазовым рассеянием в системе со многими взаимодействующими компонентами.
Как кортекс поддерживает критическое состояние?
В ядерной физике используют концепцию критичности (SOC) для обозначения порога, при котором поддерживается реакция ядерного деления. Критическое состояние цепной реакции деления достигается за счет тонкого баланса между материальным составом реактора и его геометрическими свойствами.
Условие критичности выражается как тождество геометрической кривизны (изгиба) и кривизны материала. Критические процессы в ядерных реакторах сконструированы таким образом, чтобы удовлетворять строго линейным рабочим режимам, чтобы гарантировать стабильность динамического процесса.
В мозге же, нелинейные эффекты обратной связи имеют первостепенное значение для поддержания сложной кортикальной динамики.
Иллюстрация самоорганизованного цикла восприятия на основе кинематической теории познания:
(A) Наложенные полосовые отфильтрованные сигналы ECoG.
(B) 64 аналитических амплитуды показывают колебания с высокими амплитудами, прерываемые периодами пониженной мощности, отмеченные синими полосами (нулевые пики). Высокие амплитуды между синими полосами соответствуют шаблонам метастабильной амплитудной модуляции (AM), несущим когнитивный контент. Нулевые пики - это особенности, локализованные в пространстве и времени, с высокой дисперсией фаз.
(C) Следуя сингулярности, появляются большие фазовые конусы, которые проявляют переход от микроскопического беспорядка к макроскопическому порядку.
Выше изложенные данные приводит к кинематографической теории познания, когда восприятие происходит дискретными шагами, проявляющимися в последовательности паттернов АМ.
В кинематической теории познания кортикальные слои рассматриваются как диссипативные системы, которые самоорганизуются вблизи критического уровня активности, который в свою очередь является неравновесным метастабильным состоянием.
Критичность, возможно, является ключевым аспектом работы мозга в их быстрой адаптации, реконфигурации, высокой емкости хранения и чувствительной реакции на внешние раздражители.
Самоорганизованная критичность (SOC) стала важной концепцией для описания нейронных систем. Но переходы от одной модели AM к другой требуют концепции фазовых переходов, выходящих за пределы динамики, описанной SOC.
Взаимное возбуждение между популяциями корковых нейронов поддерживает критичность в сочетании с рефрактерным периодом, который предотвращает экспоненциальный рост, тем самым стабилизируя динамику.
Используется теория случайных графов (RGT) и динамика перколяции в качестве фундаментальных математических подходов к моделированию колебаний в тканях коры.
Результаты показывают, что восприятие формируется посредством фазового перехода от неорганизованного (высокая энтропия) к хорошо организованному (низкая энтропия) состоянию.
/Источник/
Картинка кликабельна