Библиография
- Стивен Платек и др., «Смело идти туда, куда не ушел ни один мозг: будущее эволюционной когнитивной нейробиологии», Futures, октябрь 2020 г., том 43, выпуск 8, 771–776.
- Дидрик Аэртс и др., «Подход квантового взаимодействия в познании, искусственном интеллекте и роботах», Издательство Брюссельского университета, апрель 2020 г.
- Эрвин Ласло, «В защиту интуиции: изучение физических основ спонтанного восприятия», Журнал научных исследований, 2009 г., том 23
- Карл Прибрам, Мозг и восприятие: голономия и структура в обработке изображений (Lawrence Erlbaum Associates, 1991), 125–150.
- Карл Прибрам, Форма внутри (Prospecta Press, 2020).
- Майкл Талбот, Голографическая Вселенная (HarperCollins, 2020).
Глубокая и поверхностная структура памяти
Прибрам предполагает, что существует два уровня кортикальной обработки: поверхностная структура из отдельных и локализованных нейронных цепей и глубокая структура дендритного ветвления, которая связывает поверхностную структуру вместе. Глубокая структура содержит распределенную память, а поверхностная структура действует как механизм поиска.
Связывание происходит за счет временной синхронизации колеблющихся поляризаций в синаптодендритной сети. Считалось, что связывание происходило только тогда, когда не было фазового опережения или запаздывания, но исследование Сола и Хамфри показало, что клетки латерального коленчатого ядра действительно производят их.
Прибрам отмечает, что голографические воспоминания демонстрируют большую емкость, параллельную обработку и адресуемость контента для быстрого распознавания, ассоциативное хранение для перцептивного завершения и для ассоциативного воспоминания. В системах, наделенных памятью, эти взаимодействия, таким образом, приводят к все большему самоопределению.
Голограмма и голономия
Схема одной из возможных схем голограммы.
Основной характеристикой голограммы является то, что каждая часть хранимой информации распределена по всей голограмме. Оба процесса хранения и поиска выполняются способом, описываемым уравнениями преобразования Фурье . Пока часть голограммы достаточно велика, чтобы содержать интерференционный узор , эта часть может полностью воссоздать сохраненное изображение, но изображение может иметь нежелательные изменения, называемые шумом .
Аналогия этому – область вещания радиоантенны. В каждом меньшем отдельном месте в пределах всей области можно получить доступ к каждому каналу, подобно тому, как вся информация голограммы содержится внутри части. Другой аналог голограммы – это то, как солнечный свет освещает объекты в поле зрения наблюдателя.
Неважно, насколько узок луч солнечного света. Луч всегда содержит всю информацию об объекте, и при сопряжении линзой камеры или глазным яблоком создает такое же полное трехмерное изображение. Формула преобразования Фурье преобразует пространственные формы в пространственные волновые частоты и наоборот, поскольку все объекты, по сути, являются колебательными структурами.
Эта нелокальность хранения информации внутри голограммы имеет решающее значение, потому что даже если большинство частей будет повреждено, все будет содержаться даже в одной оставшейся части достаточного размера. Прибрам и другие отметили сходство между оптической голограммой и памятью в человеческом мозге.
Согласно теории голономного мозга, воспоминания хранятся в определенных общих областях, но хранятся нелокально в этих областях. Это позволяет мозгу сохранять функции и память даже при его повреждении. Память теряется только тогда, когда нет частей, достаточно больших, чтобы вместить целое.
Это также может объяснить, почему некоторые дети сохраняют нормальный интеллект, когда удаляются большие части их мозга, а в некоторых случаях половина. Это также может объяснить, почему память не теряется, когда мозг разрезается на разные поперечные сечения. [5]
Одна голограмма может хранить 3D-информацию в 2D-формате. Такие свойства могут объяснить некоторые способности мозга, в том числе способность распознавать объекты под разными углами и размерами, чем в исходной сохраненной памяти.
Прибрам предположил, что нейронные голограммы образованы дифракционными картинами колеблющихся электрических волн в коре головного мозга. Представление происходит как динамическое преобразование в распределенной сети дендритных микропроцессов. Важно отметить разницу между идеей голономного мозга и голографической.
Прибрам не предполагает, что мозг функционирует как единая голограмма. Скорее, волны внутри меньших нейронных сетей создают локализованные голограммы в более крупных частях мозга. Эта патч-голография называется голономией или оконным преобразованием Фурье.
Голографическая модель может также учитывать другие особенности памяти, которые недоступны более традиционным моделям. Модель памяти Хопфилда имеет раннюю точку насыщения памяти, до которой получение памяти резко замедляется и становится ненадежным.
С другой стороны, модели голографической памяти имеют гораздо большую теоретическую емкость памяти. Голографические модели могут также демонстрировать ассоциативную память, хранить сложные связи между различными концепциями и напоминать забывание через « хранение с потерями ».
Голономные системы
Голономные системы, механические системы, в которых все связи (см. Связи механические) являются геометрическими (голономными), то есть налагающими ограничения только на положения (или перемещения за время движения) точек и тел системы, но не на величины их скоростей. Например, двойной маятник (рис. а) является Г. с.; в нём связи (нити) налагают ограничения только на положения или перемещения грузов M1 и M2, но не на их скорости, которые при движении могут иметь любые значения. Связь, налагающая ограничения на скорости точек и тел системы, то есть устанавливающая между этими скоростями определённые соотношения, называется кинематической. Однако если эти соотношения можно свести к геометрическим, то есть к соотношениям между перемещениями (или координатами) точек и тел системы, то такая связь также является голономной. Например, при качении без скольжения колеса радиуса R по прямолинейному рельсу (рис. б) скорость u центра колеса и угловая скорость w колеса связаны соотношением u=Rw, но его можно свести к геометрическому соотношению s = Rj между перемещением s = AA1 центра и углом поворота j колеса. Следовательно, это Г. с.
Кинематические связи, не сводящиеся к геометрическим, называются неголономными, а механические системы с такими связями — неголономными системами. Разделение механических систем на голономные и неголономные очень существенно, так как ряд уравнений, позволяющих сравнительно просто решать задачи механики (например, Лагранжа уравнения механики), применим только к Г. С.
С. М. Тарг.
Рис. к ст. Голономные системы.
Оглавление
Движение «голономика» против «голономика»
Вы можете смотреть на степени свободы, как если бы они были числом переменных, которые вам нужно использовать для описания вашей системы. Итак, для робота, движущегося в 2D-плоскости, его состояние будет представлено:
$$
s = {начать bmatrix}
Икс \
y \
theta \
Конец {bmatrix}
$$
Для того, чтобы робот, перемещающийся в 2D-плоскости, был голономным, он должен иметь возможность изменять любую переменную состояния в любой момент времени независимо от значения, которое имеют другие переменные в данный момент.
Так, например, это означает, что для того, чтобы быть голономным, робот должен иметь возможность изменять свою переменную $ Y $ на любое значение, которое он хочет, без изменения $ X $ и $ theta $. В примере, который вы даете для неголономного ограничения, в то время как робот может достигать любых значений $ X $, $ Y $ и $ theta $, он имеет ограничение на количество путей, которые он должен принять ( одним из таких невозможных путей было бы движение вбок!).
Вообще говоря, для того, чтобы быть голономным, число степеней fredoom должно быть таким же, как число дифференцируемых степеней свободы:
$$ DOF = DDOF $$
DOF определяют возможность достижения различных конфигураций, например. ($ X $ и $ Y $) и ориентация ($ theta $)
DDOF определяют количество независимо допустимых скоростей, например. линейная скорость ($ dot {X} $ и $ dot {Y} $) и угловая скорость ($ dot { theta} $).
Голономные ограничения ограничивают количество DOF. Например, ваш колесный робот не может летать, поэтому $ Z $ (высота) не принадлежит государству.
Non-holonomic restrictions limit the ability to change the derivative of the state at will, hence they reduce the number of DDOFs. For instance, you cannot have your unicycle rotating (constant $dot{theta}$) while only moving in the $X$ direction.
Interestingly enough, a lighthouse is holonomic!
Все, что является стационарным, является голономным, потому что оно имеет 0 DOF и 0 DDOF!
Итак, в двух словах:
1) DOFs = количество переменных в состоянии
2) DDOFs = скорости, которые могут быть изменены независимо
3) Голономные ограничения уменьшают DOF
4) неголономные ограничения уменьшают DDOFs
5) Роботом является голономным, если и только если DOFs = DDOFs
Истоки и развитие
В 1946 году Деннис Габор математически изобрел голограмму, описав систему, в которой изображение может быть реконструировано с помощью информации, хранящейся в голограмме. Он продемонстрировал, что информационный паттерн трехмерного объекта может быть закодирован в луче света, который является более или менее двумерным.
Габор также разработал математическую модель для демонстрации голографической ассоциативной памяти . Один из коллег Габора, Питер Якобус Ван Херден, также разработал связанную голографическую математическую модель памяти в 1963 году. Эта модель содержала ключевой аспект нелокальности, который стал важным спустя годы, когда в 1967 году эксперименты Брайтенберга и Киршфилда показали, что точная локализация памяти в мозгу была ложной.
Карл Прибры работали с психологом Лешл на Лешли в инграмме экспериментах, которые использовали повреждение , чтобы определить точное местонахождение конкретных воспоминаний в приматах мозга. Лэшли сделал небольшие повреждения в мозгу и обнаружил, что они мало влияют на память.
С другой стороны, Прибрам удалил большие участки коры головного мозга, что привело к множеству серьезных нарушений памяти и когнитивных функций. Воспоминания не хранились в одном нейроне или точном месте, а были распределены по всей нейронной сети. Лэшли предположил, что паттерны вмешательства в мозг могут играть роль в восприятии, но не был уверен, как такие паттерны могут генерироваться в мозгу или как они могут привести к его функциям.
Несколько лет спустя в статье нейрофизиолога Джона Эклза описывается, как волна может генерироваться на концах ветвления пресинаптических аксонов. Несколько таких волн могут создавать интерференционные картины. Вскоре после этого Эммету Лейту удалось сохранить визуальные образы через интерференционные картины лазерных лучей, вдохновленные предыдущим использованием Габором преобразований Фурье для хранения информации внутри голограммы.
Изучив работы Эклза и Лейта, Прибрам выдвинул гипотезу о том, что память может принимать форму интерференционных паттернов, напоминающих голограммы, созданные лазером. Физик Дэвид Бом представил свои идеи голодвижения и имплицитно-экспликационного порядка .
Прибрам узнал о работе Бома в 1975 году и понял, что, поскольку голограмма может хранить информацию в рамках интерференционных паттернов, а затем воссоздавать эту информацию при активации, она может служить сильной метафорой для функции мозга. Прибрам был дополнительно воодушевлен в этой линии предположений тем фактом, что нейрофизиологи Рассел и Карен Де Валуа вместе установили, что «кодирование пространственной частоты, отображаемое клетками зрительной коры, лучше всего описывается как преобразование Фурье входного паттерна».
Коррелограф
В 1969 году ученые Д. Уилшоу, О. П. Бунеман и Х. Лонге-Хиггинс предложили альтернативную, неголографическую модель, которая удовлетворяла многим из тех же требований, что и исходная голографическая модель Габора. Модель Габора не объясняла, как мозг может использовать анализ Фурье входящих сигналов или как он будет справляться с низким отношением сигнал-шум в реконструированных воспоминаниях.
Модель коррелографа Лонге-Хиггина основана на идее, что любая система может выполнять те же функции, что и голограф Фурье, если она может коррелировать пары паттернов. Он использует крошечные отверстия, которые не создают дифракционных картин, для создания реконструкции, подобной той, что используется в голографии Фурье.
Подобно голограмме, дискретный коррелограф может распознавать смещенные узоры и хранить информацию параллельным и нелокальным образом, поэтому обычно она не будет разрушена локализованным повреждением. Затем они расширили модель за пределы коррелографа до ассоциативной сети, где точки стали параллельными линиями, расположенными в сетке.
Горизонтальные линии представляют аксоны входных нейронов, а вертикальные линии представляют выходные нейроны. Каждое пересечение представляет собой изменяемый синапс. Хотя он не может распознать смещенные шаблоны, он имеет большую потенциальную емкость.
Это не обязательно должно было показать, как устроен мозг, но вместо этого показать возможность улучшения исходной модели Габора. П. Ван Хеерден опроверг эту модель, математически продемонстрировав, что отношение сигнал / шум голограммы может достигать 50% от идеального.
Он также использовал модель с сетью нейронных голограмм 2D для быстрого поиска, накладываемого на сеть 3D для большой емкости памяти. Ключевым качеством этой модели было ее гибкость, позволяющая изменять ориентацию и исправлять искажения хранимой информации, что важно для нашей способности распознавать объект как один и тот же объект с разных углов и положений, чего не хватает моделям коррелографических и ассоциативных сетей.
Критика и альтернативные модели
Голономная модель функции мозга Прибрама не получила широкого внимания в то время, но с тех пор были разработаны другие квантовые модели, в том числе динамика мозга Джибу и Ясуэ и диссипативная квантовая динамика мозга Витиелло. Хотя они напрямую не связаны с голономной моделью, они продолжают выходить за рамки подходов, основанных исключительно на классической теории мозга.
Последние исследования
В то время как Прибрам первоначально разработал теорию голономного мозга как аналогию некоторых мозговых процессов, в нескольких статьях (в том числе в некоторых более поздних работах самого Прибрама) было высказано предположение, что сходство между голограммой и некоторыми функциями мозга не просто метафорическое, а фактически структурное.
Другие по-прежнему утверждают, что это только аналогичные отношения. Несколько исследований показали, что те же самые серии операций, которые используются в моделях голографической памяти, выполняются в определенных процессах, касающихся временной памяти и оптомоторных реакций .
Это указывает как минимум на возможность существования неврологических структур с определенными голономными свойствами. Другие исследования продемонстрировали возможность того, что излучение биофотонов (биологические электрические сигналы, которые преобразуются в слабые электромагнитные волны в видимом диапазоне) может быть необходимым условием для электрической активности в мозге для хранения голографических изображений.
Они могут играть роль в клеточной коммуникации и определенных процессах мозга, включая сон, но необходимы дальнейшие исследования, чтобы укрепить существующие. Другие исследования показали корреляцию между более развитой когнитивной функцией и гомеотермией .
Приложения
Голографические модели памяти и сознания могут быть связаны с несколькими расстройствами мозга, включающими разъединение сенсорных входов в едином сознании, включая синдром Шарля Бонне , дизъюнктивную агнозию и шизофрению . Пациенты с синдромом Шарля Бонне переживают два совершенно разных мира в одном сознании.
Они видят мир, который воспринимают психологически нормальные люди, но также и упрощенный мир, пронизанный псевдогаллюцинациями . Эти пациенты могут легко различать эти два мира. Поскольку теории динамического ядра и глобального рабочего пространства настаивают на том, что за сознание отвечает отдельная область мозга, единственный способ восприятия пациентом двух миров – это разделение этого динамического ядра и глобального рабочего пространства.
Но это не объясняет, как различный контент может быть воспринят в рамках одного единого сознания, поскольку эти теории предполагают, что каждое динамическое ядро или глобальное рабочее пространство создает единую согласованную реальность. Первичный симптом дизъюнктивной агнозии – несогласованность сенсорной информации в едином сознании.
Они могут видеть одно, но слышать что-то совершенно несовместимое с этим изображением. Шизофреники часто сообщают о переживании мыслей, которые, кажется, не исходят от них самих, как если бы идея была введена экзогенно. Человек не чувствует контроля над определенными мыслями, существующими в его сознании.
Синаптодендритная паутина
Некоторые из различных типов синапсов
Согласно классической теории мозга, суммирование электрических сигналов, поступающих на дендриты и сомы (тело клетки) нейрона, либо подавляет нейрон, либо возбуждает его, вызывая потенциал действия по аксону, где он синапсируется со следующим нейроном.
Однако это не учитывает различные разновидности синапсов, помимо традиционных аксодендритов (от аксона до дендрита). Есть свидетельства существования других видов синапсов, включая последовательные синапсы, а также синапсы между дендритами и сомой, а также между различными дендритами.
Процессы в этой дендритной ветви, сети теледендронов и дендритов, происходят из-за колебаний поляризации в мембране тонковолокнистых дендритов, а не из-за распространяющихся нервных импульсов, связанных с потенциалами действия. Прибрам утверждает, что продолжительность задержки входного сигнала в дендритной ветви до того, как он пройдет по аксону, связана с ментальным осознанием.
Чем короче задержка, тем бессознательнее действие, а более длительная задержка указывает на более длительный период осознания. Исследование Дэвида Алкона показало, что после бессознательного Павловского кондиционирования происходило пропорционально большее уменьшение объема дендритных ветвей, подобное синаптическому устранению, когда опыт увеличивает автоматичность действия.
В то же время дендритная сеть чрезвычайно сложна, способна принимать от 100 000 до 200 000 входных данных в одном дереве из-за большого количества ветвлений и множества дендритных шипов, выступающих из ветвей. Более того, синаптическая гиперполяризация и деполяризация остаются в некоторой степени изолированными из-за сопротивления со стороны узкого дендритного стержня шипа, позволяя поляризации распространяться без значительного прерывания на другие шипы.
Этому распространению дополнительно способствуют внутриклеточные микротрубочки и внеклеточно – глиальные клетки . Эти поляризации действуют как волны в синаптодендритной сети, и существование сразу нескольких волн приводит к интерференционным картинам.
