Релятивистский мозг: в поисках коррелята ментальности

Голубь Скиннера

Монография "The Relativistic Brain: How it works and why it cannot be simulated by a Turing machine" в авторстве Мигеля Николелиса и Рональда Сикьюрела представляет собой попытку описать функционирование мозга в нестандартной парадигме и, исходя из этого описания, привести аргументы против возможности цифровой симуляции мозга.

Персоналии

Мигель Николелис – нейроучёный, один из первопроходцев в области разработки интерфейсов "мозг-компьютер", занимался декодированием активности больших ансамблей нейронов, что позволяло обезьянам, участвовавшим в экспериментах, контролировать движение механической руки робота "силой мысли".

Рональд Сикьюрел – математик, внёс вклад в основание Blue Brain Project, проекта по моделированию головного мозга.

Монография позиционируется как резюме почти десятилетнего диалога между математиком (Рональдом) и нейрофизиологом (Мигелем), следовавших независимыми путями разгадок тайн мозга, пока эти пути не пересеклись.

Содержание

На содержательном уровне монография представлена двумя блоками, один из которых посвящён непосредственно новой "релятивистской" теории функционирования мозга, а второй – доводам против возможности моделирования мозга с привлечением машины Тьюринга. В то время как вторая часть не несёт в себе выраженной новизны и скорее повторяет набор стандартных аргументов (в частности, в стиле Роджера Пенроуза), первая часть всё же предлагает альтернативу традиционной парадигме, хоть и не обладает детализацией, достаточной для полноценного обсуждения предложенной теории. Крупные мазки, используемые для изложения релятивистской теории, скорее задают вектор для дальнейших размышлений. Ниже кратко представлены некоторые положения, представляющие интерес.

Принципы физиологии нейронных ансамблей

Результаты анализа записей 100-500 нейронов коры, вовлечённых в работу с интерфейсами "мозг-компьютер", позволяют выделить следующие принципы функционирования нейронных ансамблей:

Распределённое кодирование: любое поведение, порождаемое мозгом, зависит от координированной активности ансамблей нейронов, распределённых среди нескольких структур мозга.
Недостаточность одного нейрона для кодирования заданного параметра.
Многозадачность: активность отдельных нейронов может вносить вклад в активность множества нейрональных ансамблей и влиять на реализацию нескольких функций одновременно.
Массовый эффект: вклад любой популяции нейронов в кодирование заданного поведенческого параметра растёт как десятичный логарифм числа нейронов, добавляющихся в популяцию, т. е. для стабилизации высокой мощности обработки информации число нейронов в популяции должно быть достаточным.
Принцип вырождения: заданное поведение (например, движение руки) может обеспечиваться в разные моменты времени различными комбинациями нейронов.
Пластичность: способность мозга непрерывно адаптировать свою морфологию и функции в ответ на новый опыт.
Сохранение нейронального возбуждения: во время выполнения задачи из-за ограниченных энергетических ресурсов нейронные сети должны поддерживать возбуждение на постоянном уровне, т. е. если одна группа нейронов повышает уровень возбуждения, то соседние клетки должны пропорционально снизить его.
Принцип контекста: реакция ансамбля нейронов в ответ на стимул меняется в зависимости от контекста (внутреннего состояния мозга как системы на текущий момент времени).

Мозг как оркестр

Перечисляя указанные принципы, авторы подчёркивают, что традиционные парадигмы игнорируют параметр времени и, соответственно, динамику мозга в миллисекундном разрешении, поскольку базируются на представлении мозга как системы, обеспечиваемой статичными структурами, функции которых не зависят от времени. На самом деле, как убеждены авторы, не существует абсолютных и фиксированных границ между зонами коры головного мозга, которые определяют его функционирование в целом. В заданный момент времени мозг генерирует модель мира, модель тела его обладателя и новый набор параметров, определяющих восприятие реальности. Эта новая модель затем тестируется и модифицируется с течением времени. Мозг пребывает в постоянной перестройке, у него есть текущая внутренняя "точка зрения":

"Мозг подобен оркестру, инструменты которого меняются как функция исполняемой музыки".

При этом "нейрональное пространство" и "нейрональное время" рассматриваются относительно энергетических ограничений мозга, формируя конечный нейрональный пространственно-временной континуум.

Клей, на котором всё держится

Как возникает нейрональный пространственно-временной континуум? Что его "склеивает"?

Авторы предлагают разделить разделы функционирования нервной системы на два компонента:

цифровой, представленный спайками, генерируемыми нейронными сетями;
аналоговый, представленный наложением изменяющихся во времени электромагнитных полей, которые формируются, пока электрические сигналы от нейронов идут по нервным трактам белой материи.

Именно электромагнитные поля и рассматриваются авторами как "физиологический клей", позволяющий формировать и поддерживать нейрональный пространственно-временной континуум, делая мозг целостным. Нетривиальность (маргинальность?) такого взгляда заключается в том, что традиционно электромагнитные поля считаются шумом или побочным эффектом, исходящим от нейронной активности. Но авторы подчеркивают каузальную роль этих полей, которые, в частности, по принципу обратной связи оказывают влияние на нейроны, порождающие их.

Авторы приводят примеры, которые могут объясняться сочетанием цифрового и аналогового компонентов, описанных выше. В частности, упоминаются нарушения схемы тела, такие как фантомные боли отсутствующей конечности или иллюзия резиновой руки (когда перед участником параллельно лежат его собственная рука, заслонённая экраном, и резиновая модель руки, при синхронном касании кисточками обеих рук у участника возникает ощущение, что он испытывает и тактильную стимуляцию резиновой руки). Эти нарушения объясняются сохранением аналоговой репрезентации схемы тела с наличием двух рук.

Также авторы подчёркивают "аналоговость" и нелокальность феномена боли, поскольку её нельзя вызвать стимуляцией конкретного коркового источника мозга.

Поля против нейронов

Релятивистская теория мозга – далеко не первый случай привлечения электромагнитных полей для объяснения того или иного аспекта ментальности. Поэтому возможно перечислить традиционные контраргументы, ставящие под сомнение некоторые положения подобных теорий. Среди них:

Отсутствие наблюдаемого влияния внешних электромагнитных полей на мозговую активность. Предположение же о том, что мозг изолирован от этих полей, разрушается тем, что это препятствовало бы регистрации полей, генерируемых уже непосредственно в мозгу (что успешно делается средствами ЭЭГ).
Случаи "расщеплённого мозга" у пациентов с рассечённым мозолистым телом, соединяющим полушария. Разъединённые полушария начинают работать по отдельности: например, пациенты могут не осознавать зрительное стимулы, предъявляемые одному из полушарий, но при этом изображать этот стимул в виде рисунка рукой, за которую отвечает противоположное полушарие, "увидевшее" стимул. Рассечение полушарий не предполагает нарушение аналогового пространства, формируемого электромагнитными полями, что противоречит указанным выше наблюдениям.

Предсказания теории

Представленные выше контраргументы, тем не менее, не опровергают подобные теории полностью, поэтому более полезной может оказаться проверка конкретных предсказаний релятивистской теории мозга, среди которых возможно перечислить следующие (полный список представлен в приложении к книге и состоит из 23-х пунктов):

Ни одна цифровая симуляция с использованием машины Тьюринга не может смоделировать сложность центральной нервной системы млекопитающих.
Информация Шеннона не является достаточной для количественной оценки информации, генерируемой мозгом человека, поскольку не учитывает неоднозначность человеческого поведения на семантическом уровне.
Ни один нейрон не способен обеспечивать сложное поведение млекопитающих, настоящими функциональными единицами нервной системы являются распределённые нейрональные ансамбли.
Существуют потенциально измеримые магнитные поля, исходящие из трактов белой материи, которые не регистрируются средствами стандартной магнитоэнцефалографии.
Электромагнитные поля мозга должны быть способны индуцировать широко распределённую синхронную нейронную активность по всему мозгу.
Нарушение электромагнитных полей мозга должно приводить к нарушению восприятия, моторных и когнитивных функций.
Не существует фиксированного нейронного кода, поскольку в функционирование мозга вносит вклад динамическая пластичность.
Искусственые инструменты (протезы конечностей) могут усваиваться как расширение схемы тела, представленной в мозге. Нейрональное пространство должно содержать репрезентации этих новых искусственных "частей тела".

Итог

Таким образом, монография открывает взгляд на акценты, которые возможно расставить в дальнейших исследованиях. Впрочем, на протяжении чтения не удавалось изгнать из головы понятие флогистона – несуществующей огненной субстанции, которой объясняли процессы горения в XVI-XVII веках. Являются ли и электромагнитные поля таким флогистоном в контексте обеспечения высших функций нервной деятельности, покажет время.