Как работает мозг, часть 3в
начало 3 части
В своих исследованиях Пигарев И.Н. доказал, что неокортекс млекопитающих является не специализированным, как считалось ранее, а универсальным вычислительным устройством, функционирование которого во время бодрствования и во время сна меняется. Но при этом должно происходить не только переключение сигнальных нейронных цепей, за что отвечают специальные коммутирующие нейроны, также обнаруженные группой Ивана Николаевича, но также должна меняться и программа, которую выполняет неокортекс, поскольку очевидно, что обрабатываемая информация и те результаты, которые требуется получить в итоге, весьма сильно отличаются. Каким образом происходит смена этих программ и где находится тот носитель информации, из которого эти программы загружаются, мы на данный момент пока не знаем, но данный процесс должен происходить каждый раз при переходе организма от состояния бодрствования ко сну и обратно, чтобы изменять логику работы вычислителя.
Почему программа не может храниться в самом неокортексе? Частично на этот вопрос отвечают результаты, которые получены в ходе работ по проекту Blue Brain Project (BBP). Их работы показали, что структура кортикальной колонки многократно продублирована и достаточно устойчива во времени, так как перестройка её структуры будет слишком затратным и длительным процессом. Другими словами, организм не может позволить себе каждый раз засыпая и просыпаясь менять логическую структуру связей между нейронами во всём неокортексе.
Мало вероятен и второй вариант, когда обе программы сразу закодированы в нейронных связях кортикальных колонок, чтобы одновременно с переключением каналов ввода вывода происходило бы и переключение программы. Данное решение по затратам и структуре было бы эквивалентно наличию двух параллельных структурно-логических уровней в нейронной сети неокортекса, а это означает, что было бы гораздо эффективней сделать две отдельных нейронных сети вообще без всякой коммутации, каждая из которых выполняла бы свою функцию, сэкономив при этом ещё и на коммутирующих нейронах, которые в этом варианте вообще были бы не нужны. Другими словами, если бы программа прошивалась в неокортексе с помощью структуры связей между нейронами, то у организмов было бы просто два неокортекса, каждый из которых выполнял бы свою функцию. Один бы обрабатывал сенсорную информацию от внешних органов чувств, а второй обеспечивал бы регуляцию внутренних процессов.
Правда тут возникает ещё одна проблема с энергопотреблением. Дело в том, что мозг в организме, особенно у человека, является самым прожорливым органом. Для его работы необходимо очень много энергии. Поэтому кормить два мозга для организма было бы слишком накладно. С одной стороны, потребление энергии нейроном в активном и пассивном состоянии отличается. Но нейрон является живой клеткой, а не полупроводниковым кристаллом. Это в современных больших микросхемах для экономии энергии можно отключать неиспользуемые части просто отключив от этих частей питание. А нейрону даже в пассивном состоянии будет требоваться постоянное обеспечение питательными веществами, иначе он просто погибнет. Поэтому даже в пассивном состоянии второй мозг всё равно будет потреблять энергию. Причём это будет происходить как в варианте, когда эти два мозга явно разделены, так и в варианте, когда эти два мозга объединены в единую общую структуру с функцией переключения. Таким образом, иметь два мощных неокортекса организму очень невыгодно с точки зрения обеспечения энергией и ресурсами.
Ещё одним аргументом в пользу того, что неокортекс является универсальным вычислительным устройством, являются и те данные, которые получены при работе над проектом BBP, из которых следует, что большое количество кортиальных колонок имеют практически одинаковую структуру связей. Если бы достаточно сложная программа обработки информации и управления поведением организма была бы записана на уровне нейронных связей в неокортексе, то в этом случае структура разных кортикальных колонок должна отличаться в гораздо большей степени, чем мы наблюдаем. А то, что мы видим сейчас, по своей структуре очень напоминает современные графические ускорители, где имеется до нескольких тысяч типовых блоков с одинаковой структурой, логика работы которых определяется той программой, которая в них загружается на исполнение, типа тех же шейдеров.
Вряд ли данные программы хранятся в молекулах ДНК, которые есть в каждой клетке, включая нейроны. Во-первых, большую часть ДНК составляют последовательности, которые кодируют те сложные органические соединения, которые клетка синтезирует в процессе жизнедеятельности. На сегодняшний день механизм считывания этой информации и последующего синтеза с помощью молекул РНК достаточно хорошо изучен и подробно описан в специализированной литературе. При этом также установлено, что считыванием информации и синтезом соединений управляет некий внешний операционный процесс, а не сама молекула ДНК, которая является лишь пассивным носителем информации, по сути своеобразной белковой перфолентой, а не самим компьютером.
Во-вторых, известный и изученный на данный момент процесс считывания информации с ДНК является очень медленным, поскольку основан на биохимических реакциях с участием множества различных молекул, находящихся внутри клетки. В ходе данных реакций происходит перемещение участвующих в процессе молекул, что и накладывает серьёзные ограничения на общую скорость процесса. Но самое главное, что на сегодняшний день не зафиксировано никаких процессов внутри клетки, которые бы позволяли перенести информацию, которая записана в последовательности нуклеотидов ДНК, в набор электромагнитных сигналов, которыми обмениваются нейроны. Другими словами, у нас есть биологическая перфолента с информацией в виде ДНК, но нет считывателя для этой перфоленты, который бы позволял быстро загружать нужную информацию с этой «перфоленты» непосредственно в нейронную сеть мозга.
Таким образом, на основании данных, полученных в ходе работ над висцеральной теорией и работ по проекту Blue Brain Project, появляется первый серьёзный вопрос. Где и в каком виде хранятся программы, которые управляют универсальным вычислителем неокортекса, и каким образом они каждый раз перезагружаются в процессе засыпания и пробуждения?
У тех из читателей, которые интересуются тем, как устроен и функционирует мозг человека, может возникнуть вопрос о так называемых картах функционального зонирования коры головного мозга, которые на сегодняшний день составлены в ходе многочисленных исследований.
Но в данном случае никаких противоречий нет. Данные карты составлялись на основе того, какие из областей неокортекса проявляли активность во время той ил иной деятельности человека. При этом в самом неокортексе данные области структурно никак не выделены и у разных людей границы данных областей могут отличатся, что подтверждает универсальность структуры строения и функционирования неокортекса. Также есть данные, которые говорят о том, что при повреждении тех или иных областей коры головного мозга данные функции могут передаваться соседним областям. Если бы данные области имели уникальную структуру, определяющие их функциональность, то это неизбежно должно было бы отразиться на их структуре.
Наличие локализованных зон, которые отвечают за ту или иную деятельность или обработку тех или иных сигналов, связано не со структурными отличиями в строении неокортекса, которая универсальна, а с коммутацией нейронных связей, которыми данные области связаны с соответствующими органами чувств для сенсорных зон или мышцами для двигательных зон. При этом, как показали исследования группы Пигарева И.Н., во время сна данные связи размыкаются и вместо внешних органов чувств данные области неокортекса подключаются к внутренним органам. Поэтому для состояния сна можно составить другую карту областей коры головного мозга, которые будут соответствовать тем внутренним органам, к которым данная область подключается во время сна.
Если же какая-то часть коры головного мозга повреждается, то за счёт возможности перестройки связей между нейронами, организм в некоторых пределах может произвести переподключение необходимых связей к неповреждённым частям коры, за счёт чего и происходит передача функций от повреждённого участка коры к неповреждённым.
В тоже время есть ещё один очень серьёзный вопрос, который возникает к работе мозга в свете висцеральной теории сна и результатов проекта BBP. Ранее считалось, что именно кора головного мозга является тем хранилищем огромных объёмов долговременной памяти, которую имеет человек, поскольку только тут имелось необходимое количество нейронов и связей между ними, с помощью которых можно было бы закодировать подобные объёмы информации. Полученные результаты показали, что это не так, неокортекс не только является универсальным вычислителем, но ещё и постоянно меняет свою функциональность во время сна, поэтому не может быть хранилищем долговременной памяти. Максимум, какую функцию он может выполнять, это накопитель краткосрочной оперативной памяти, которая используется в или накапливается в текущий момент. И результаты исследований, о которых я расскажу ниже, это подтверждают. Но хранилищем долговременной памяти неокортекс не является. За это отвечают другие области мозга.
О том, как устроена и работает память, мы поговорим в следующей части.
Продолжение следует...
В своих исследованиях Пигарев И.Н. доказал, что неокортекс млекопитающих является не специализированным, как считалось ранее, а универсальным вычислительным устройством, функционирование которого во время бодрствования и во время сна меняется. Но при этом должно происходить не только переключение сигнальных нейронных цепей, за что отвечают специальные коммутирующие нейроны, также обнаруженные группой Ивана Николаевича, но также должна меняться и программа, которую выполняет неокортекс, поскольку очевидно, что обрабатываемая информация и те результаты, которые требуется получить в итоге, весьма сильно отличаются. Каким образом происходит смена этих программ и где находится тот носитель информации, из которого эти программы загружаются, мы на данный момент пока не знаем, но данный процесс должен происходить каждый раз при переходе организма от состояния бодрствования ко сну и обратно, чтобы изменять логику работы вычислителя.
Почему программа не может храниться в самом неокортексе? Частично на этот вопрос отвечают результаты, которые получены в ходе работ по проекту Blue Brain Project (BBP). Их работы показали, что структура кортикальной колонки многократно продублирована и достаточно устойчива во времени, так как перестройка её структуры будет слишком затратным и длительным процессом. Другими словами, организм не может позволить себе каждый раз засыпая и просыпаясь менять логическую структуру связей между нейронами во всём неокортексе.
Мало вероятен и второй вариант, когда обе программы сразу закодированы в нейронных связях кортикальных колонок, чтобы одновременно с переключением каналов ввода вывода происходило бы и переключение программы. Данное решение по затратам и структуре было бы эквивалентно наличию двух параллельных структурно-логических уровней в нейронной сети неокортекса, а это означает, что было бы гораздо эффективней сделать две отдельных нейронных сети вообще без всякой коммутации, каждая из которых выполняла бы свою функцию, сэкономив при этом ещё и на коммутирующих нейронах, которые в этом варианте вообще были бы не нужны. Другими словами, если бы программа прошивалась в неокортексе с помощью структуры связей между нейронами, то у организмов было бы просто два неокортекса, каждый из которых выполнял бы свою функцию. Один бы обрабатывал сенсорную информацию от внешних органов чувств, а второй обеспечивал бы регуляцию внутренних процессов.
Правда тут возникает ещё одна проблема с энергопотреблением. Дело в том, что мозг в организме, особенно у человека, является самым прожорливым органом. Для его работы необходимо очень много энергии. Поэтому кормить два мозга для организма было бы слишком накладно. С одной стороны, потребление энергии нейроном в активном и пассивном состоянии отличается. Но нейрон является живой клеткой, а не полупроводниковым кристаллом. Это в современных больших микросхемах для экономии энергии можно отключать неиспользуемые части просто отключив от этих частей питание. А нейрону даже в пассивном состоянии будет требоваться постоянное обеспечение питательными веществами, иначе он просто погибнет. Поэтому даже в пассивном состоянии второй мозг всё равно будет потреблять энергию. Причём это будет происходить как в варианте, когда эти два мозга явно разделены, так и в варианте, когда эти два мозга объединены в единую общую структуру с функцией переключения. Таким образом, иметь два мощных неокортекса организму очень невыгодно с точки зрения обеспечения энергией и ресурсами.
Ещё одним аргументом в пользу того, что неокортекс является универсальным вычислительным устройством, являются и те данные, которые получены при работе над проектом BBP, из которых следует, что большое количество кортиальных колонок имеют практически одинаковую структуру связей. Если бы достаточно сложная программа обработки информации и управления поведением организма была бы записана на уровне нейронных связей в неокортексе, то в этом случае структура разных кортикальных колонок должна отличаться в гораздо большей степени, чем мы наблюдаем. А то, что мы видим сейчас, по своей структуре очень напоминает современные графические ускорители, где имеется до нескольких тысяч типовых блоков с одинаковой структурой, логика работы которых определяется той программой, которая в них загружается на исполнение, типа тех же шейдеров.
Вряд ли данные программы хранятся в молекулах ДНК, которые есть в каждой клетке, включая нейроны. Во-первых, большую часть ДНК составляют последовательности, которые кодируют те сложные органические соединения, которые клетка синтезирует в процессе жизнедеятельности. На сегодняшний день механизм считывания этой информации и последующего синтеза с помощью молекул РНК достаточно хорошо изучен и подробно описан в специализированной литературе. При этом также установлено, что считыванием информации и синтезом соединений управляет некий внешний операционный процесс, а не сама молекула ДНК, которая является лишь пассивным носителем информации, по сути своеобразной белковой перфолентой, а не самим компьютером.
Во-вторых, известный и изученный на данный момент процесс считывания информации с ДНК является очень медленным, поскольку основан на биохимических реакциях с участием множества различных молекул, находящихся внутри клетки. В ходе данных реакций происходит перемещение участвующих в процессе молекул, что и накладывает серьёзные ограничения на общую скорость процесса. Но самое главное, что на сегодняшний день не зафиксировано никаких процессов внутри клетки, которые бы позволяли перенести информацию, которая записана в последовательности нуклеотидов ДНК, в набор электромагнитных сигналов, которыми обмениваются нейроны. Другими словами, у нас есть биологическая перфолента с информацией в виде ДНК, но нет считывателя для этой перфоленты, который бы позволял быстро загружать нужную информацию с этой «перфоленты» непосредственно в нейронную сеть мозга.
Таким образом, на основании данных, полученных в ходе работ над висцеральной теорией и работ по проекту Blue Brain Project, появляется первый серьёзный вопрос. Где и в каком виде хранятся программы, которые управляют универсальным вычислителем неокортекса, и каким образом они каждый раз перезагружаются в процессе засыпания и пробуждения?
У тех из читателей, которые интересуются тем, как устроен и функционирует мозг человека, может возникнуть вопрос о так называемых картах функционального зонирования коры головного мозга, которые на сегодняшний день составлены в ходе многочисленных исследований.
Но в данном случае никаких противоречий нет. Данные карты составлялись на основе того, какие из областей неокортекса проявляли активность во время той ил иной деятельности человека. При этом в самом неокортексе данные области структурно никак не выделены и у разных людей границы данных областей могут отличатся, что подтверждает универсальность структуры строения и функционирования неокортекса. Также есть данные, которые говорят о том, что при повреждении тех или иных областей коры головного мозга данные функции могут передаваться соседним областям. Если бы данные области имели уникальную структуру, определяющие их функциональность, то это неизбежно должно было бы отразиться на их структуре.
Наличие локализованных зон, которые отвечают за ту или иную деятельность или обработку тех или иных сигналов, связано не со структурными отличиями в строении неокортекса, которая универсальна, а с коммутацией нейронных связей, которыми данные области связаны с соответствующими органами чувств для сенсорных зон или мышцами для двигательных зон. При этом, как показали исследования группы Пигарева И.Н., во время сна данные связи размыкаются и вместо внешних органов чувств данные области неокортекса подключаются к внутренним органам. Поэтому для состояния сна можно составить другую карту областей коры головного мозга, которые будут соответствовать тем внутренним органам, к которым данная область подключается во время сна.
Если же какая-то часть коры головного мозга повреждается, то за счёт возможности перестройки связей между нейронами, организм в некоторых пределах может произвести переподключение необходимых связей к неповреждённым частям коры, за счёт чего и происходит передача функций от повреждённого участка коры к неповреждённым.
В тоже время есть ещё один очень серьёзный вопрос, который возникает к работе мозга в свете висцеральной теории сна и результатов проекта BBP. Ранее считалось, что именно кора головного мозга является тем хранилищем огромных объёмов долговременной памяти, которую имеет человек, поскольку только тут имелось необходимое количество нейронов и связей между ними, с помощью которых можно было бы закодировать подобные объёмы информации. Полученные результаты показали, что это не так, неокортекс не только является универсальным вычислителем, но ещё и постоянно меняет свою функциональность во время сна, поэтому не может быть хранилищем долговременной памяти. Максимум, какую функцию он может выполнять, это накопитель краткосрочной оперативной памяти, которая используется в или накапливается в текущий момент. И результаты исследований, о которых я расскажу ниже, это подтверждают. Но хранилищем долговременной памяти неокортекс не является. За это отвечают другие области мозга.
О том, как устроена и работает память, мы поговорим в следующей части.
Продолжение следует...