Роман Бабкин
Действуй, мозг! Квантовая модель разума
Квант и бесконечность
Листая учебники по неврологии, нейробиологии, психофизиологии, психиатрии и психологии, вы совершаете путешествие на машине времени. Оказываетесь в прошлом, как минимум 120—130 лет назад, когда не существовало ни квантовой теории, ни математической теории множеств.
Вы прочтёте про нейроны (впервые описаны в 1873 году),10 про скорость распространения биоэлектрического импульса (впервые измерена в 1849 году),11 про психофизический закон Вебера-Фехнера (сформулирован в 1860 году).9
Изучая патологию мозга, вы узнаете о шизофрении (термин предложен в 1908 году),6 психопатиях (1904 год) 13 и неврозах (в конце XVIII века).7 «Википедия» подскажет, что последний термин вроде как уже не употребляется. Но взявшись за общепринятую «Международную классификацию болезней» 10-го пересмотра, вы убедитесь, что категория «Невротические расстройства» там есть.4
Так что, более чем двухсотлетняя научная традиция жива, соблюдается и не спешит соответствовать познавательным нуждам обычного человека.
Современное знание о мозге вопиюще несовременно. И прежде всего в описании того, без чего нельзя обойтись в разговоре о функционировании любой системы, – её элементов.
Что является структурным элементом мозга?
Мейнстримная нейронаука уверенно отвечает: структурным элементом мозга является его клетка, нейрон.
Тогда: как получилось, что сочетание этих элементов породило во многих отношениях уникальный разум человека?
Ведь, вообще говоря, элемент системы есть её кусочек, строительный материал. Не имея элементов, нельзя построить систему. Имея элементы в достаточном количестве, можно построить систему какой угодно сложности, включая человеческий мозг.
Факты таковы, что мозг есть и у животных. Он тоже состоит из нейронов. Их скопления, нервные узлы, обнаруживается даже у насекомых. Но, очевидно, ни животные, ни насекомые не умеют мыслить и чувствовать, как мы.
Количественный аргумент (в мозге человека нейронов больше, чем у кого бы то ни было) не работает. Потому что число мозговых элементов, например, у нас и у современных обезьян, вполне сопоставимо (80—90 миллиардов и 20—30 миллиардов соответственно).
По той же причине буксует качественный аргумент (предположение об особом типе организации нейронов в нашем мозге). У шимпанзе структура нейронных связей ничем принципиально не отличается от таковой у человека.
Следовательно, признавая (у любых известных нам живых существ, включая и человека, и животных) мозговым элементом нейрон, мы встаём на позицию этакого нейробиологического центропупизма.
У нас-де пазл сложился, а у сотен тысяч других, живших до нас и живущих с нами на одной планете, биологических видов – нет. Более того: по какой-то загадочной причине не складывается до сих пор.
Можно ли объявить элементом мозга мысль? Или, скажем, сложное чувство – любовь, сострадание, зависть? Т.е. некий, специфический для человека, феномен или даже эпифеномен?
Можно. Так делают философы, художники, учёные с базовым гуманитарным образованием и (внезапно) «когнитивные специалисты», мечтающие оцифровать мозг человека.
Однако возникают те же трудности. Как из нейронов нельзя сложить другой живой мозг, так из мыслей и чувств не получается создать нечто, похожее на разум. Даже если эти мысли и чувства обозвать, к примеру, «когнициями» и выдумать, что они шифруются бинарным кодом.
В противном случае поклонники «цифрового мозга» уже давно бы праздновали своё грядущее бессмертие, а люди, перепуганные сказками про искусственный интеллект, полезли бы прятаться в подземные убежища.
Природа проблемы одна и та же: отсутствие эквивалентности.
Живая клетка – такой же феномен, как мысль или чувство. Этот феномен, несомненно, является проявлением реальности. Однако наша способность давать чему-либо название ещё не гарантирует объяснение всех взаимосвязей данного объекта, как с другими объектами внутри системы, так и с внешней средой.
Нейробиологи, описывая «нервную систему» как эпифеномен, её элементом называют нейрон. Но, определяя тот же нейрон как «живую клетку», подразумевают, в свою очередь, что её элементами являются молекулы и/или ионы.
Философы и когнитивные психологи, рассуждая о «сознании» или «нейронной сети», указывают на такие элементы, как «мысли», «когниции», «адаптивные линейные сумматоры» и пр. Те же категории в их толковании превращаются в феномены высшего порядка по отношению к элементарным «ноэмам», «семемам», «сигналам», «импульсам» и т. д.
На своём, отдельном, уровне каждая такая конструкция выглядит безупречной. Она может быть собрана и даже может функционировать. Но беда в том, что собранные все вместе, со всех уровней, конструкции не работают как единое целое.
Попробуйте взять все астрофизические, астрологические, философские, поэтические и экологические тексты, посвященные Солнцу, и соедините их, без потери исходных смыслов, в коротенькое, из нескольких предложений, резюме – тогда вы вообразите масштаб задачи, которую решают сторонники феноменологического подхода к проблеме моделирования мозга.
Вы уже, верно, догадались, что идти следует не вверх, а вниз. Вниз – значит вглубь. Подальше от феноменов, поближе к физическому фундаменту.
Мозг можно рассмотреть с позиции хорошей, т.е. проработанной и многократно экспериментально проверенной, физической теории. Например, с позиции классической теории электродинамики.
Для этого имеются веские основания. Нервный импульс, мембранный потенциал, эпилептический приступ – электромагнитные явления. Информация, которую мы получаем о мозге при помощи, скажем, томографии, не что иное, как результат движения электронов.
Тогда элемент мозга – субатомная частица, электрон.
Идея привлечения физической теории мне нравится. Потому что всякая признанная в физике теория суть широкое и глубокое объяснение. Но подумаем вот о чём.
По результатам многочисленных экспериментов нейробиологи выяснили, что диапазон амплитуды напряжения мембраны (т.н. «трансмембранный потенциал») в живых клетках составляет от 40 до 80 мВ (10—3 вольт).16
То же справедливо для нейронов в нашем мозге. Коротко говоря, поддержание указанного градиента электрического потенциала гарантирует возбуждение нервного волокна и – путём передачи этого возбуждения дальше – движение сигнала.
Как меняется трансмембранный потенциал?
За счёт перемещения электрически заряженных атомов или молекул (ионов) в клетку и/или из клетки.
А в чём состоит физический смысл градиента?
В том, что для одного ионного канала при изменении амплитуды напряжения с 80 до 40 мВ в возникающем электромагнитном поле совершается работа в 1 Джоуль по переносу 2,4·1017 электронов. Речь идёт о движении сотен квадриллионов (!) субатомных частиц.
Учитываются ли траектории каждой частицы в вычислениях?
Нет, не учитываются.
Почему?
Потому что в классической электродинамике объектом наблюдения является поток, а не частицы, из которых он складывается. Электромагнитный феномен («процесс») объективен, а индивидуальные траектории электронов («события») несущественны.
Увы, теория электромагнетизма нам не поможет. Закон Ома для мозга не годится.
Если б электромагнитными феноменами можно было объяснить всё, что происходит в мозге – включая его интеллектуальные продукты, воспоминания, сложные эмоции и пр. – на этом разговор бы завершился. (Такие попытки делались и делались многократно в период расцвета рефлекторной теории – подробнее см. главу 3.)
Но сегодня, пожалуй, даже ребёнок, смотрящий мультики про монстров, не поверит в то, что путём втыкания в бездыханное тело электродов его можно оживить.
Тем не менее, мы – на верном пути. При построении модели сложной системы и вправду хорошо бы (правильно, целесообразно, необходимо и т.д.) рассматривать элементы на самом фундаментальном уровне бытия – там, где обитают субатомные частицы.
Кстати, а что это вообще такое?
Физики утверждают, что в природе существуют «частицы вещества» (фермионы) и «частицы взаимодействия» (бозоны).
К первым относятся, например, электроны и кварки, формирующие протоны и нейтроны. Ко вторым – фотоны.
Электрон – такая же стабильная частица вещества, как протон и нейтрон. Вместе они образуют каркас атома, но не являются прямыми переносчиками энергии внутри него.
Каркас склеивают бозоны. Именно они ответственны за действие в физическом смысле.
Некоторые бозоны называют виртуальными частицами. Характеристика «виртуальные» условна: их нельзя обнаружить при помощи приборов как дискретные частицы, зато можно зафиксировать как волны.
Так, в 1983 году были открыты W– и Z-бозоны, ответственные за слабое взаимодействие.8 Скажем, при т.н. «бета-минус-распаде» в нейтроне один из трёх кварков преобразуется так, что вместо нейтрона появляется протон. А также – короткоживущий «виртуальный» W-бозон. Он, в свою очередь, распадается на стабильный электрон и антинейтрино. В результате один фермион (нейтрон) превращается в два фермиона другого типа (электрон и протон), имеющих, к тому же, противоположные электрические заряды.
Что нам это даёт?
Во-первых, гораздо более сложную картину взаимодействия субатомных частиц, нежели та, к которой мы привыкли со школы.
Во-вторых, получается, что, строго говоря, межядерные и электромагнитные взаимодействия нужно рассматривать в рамках единой теории. Физики так и поступили, назвав эту концепцию теорией электрослабого взаимодействия.
Тогда электромагнитное взаимодействие по своей природе суть обмен бозонами между фермионами.
Тогда представлять изменение трансмембранного потенциала клеток в мозге как движение электронов – грубое упрощение.
Тогда источником/участником всякого мозгового «процесса» и «события» – т.е. действий на самом фундаментальном физическом уровне – является бозон.
Игнорировать эти следствия при обсуждении мозговых феноменов, по меньшей мере, странно.
Небольшой пример.
Откройте любую книгу по нейрофизиологии: прочтите о механизме возникновения цветового ощущения. Пишут, что свет в сетчатке преобразуется в энергию электрического сигнала – внешние фотоны как-то меняют конфигурацию молекулы родопсина, что названо красивым словом «фотодиссоциация». 3,14
Что происходит с родопсином и почему? Что именно делают фотоны с электронами? Куда и каким образом возбуждённые электроны перемещаются (летят? излучают? падают, отражаясь или поглощаясь?) – да ещё так, чтобы возник конкретный для мозга смысл? Как это всё понять?
Никак, если забыть, что фотон – это тоже бозон. И, следовательно, при падении света на сетчатку речь идёт о фермионно-бозонном взаимодействии.
Впрочем, привлечение субатомных частиц в разговор о мозге, само по себе, мало что значит.
Физики сочинили какую-то теорию, пускай, подтвержденную экспериментально. Ну, и что?
Допустим, что мозг состоит из более мелких, чем нейроны-молекулы-атомы, элементарных единиц. Но это никак не проясняет механизмы (способы, принципы и т.д.) их взаимодействия.
Верно. Придётся нырнуть поглубже.
Для описания взаимодействия фермионов посредством бозонов на микро-уровне любой физической системы введено понятие «квант».
Подробно о квантовой парадигме мы поговорим в главе 5. Сейчас очень кратко заметим, что квант – это неделимая порция энергии, значение которой может быть различным. Содержание кванта принципиально неопределённо.
Поясним это.
Бозоны постоянно взаимодействуют. Результат их взаимодействий – «событие» – точно предсказать нельзя. Почему? Потому, что самый «процесс» взаимодействия нетривиален. Он представим как состояние, при котором бозон (или несколько бозонов) одновременно находится во всех потенциально возможных точках пространства или энергетических состояниях.
Такое нестойкое положение называют суперпозицией. Поскольку содержание кванта неопределённо, то суперпозиция бозонов (условный «процесс») обязательно редуцируется до любой возможной устойчивой конфигурации – фермиона с разрешенным местоположением и не нарушающим принцип сохранения количеством энергии (условное «событие»).
Когда физики говорят, что фотон – это квант электромагнитного взаимодействия, то имеют в виду вот что.
На более высоком уровне обобщения (в теории электрослабого взаимодействия, где электромагнетизм, радиоактивность, оптические явления – разные стороны одного и того же) квантовая суперпозиция бозонов – не частица и не волна, не «событие» и не «процесс». Но нечто такое, что при определённых обстоятельствах проявляет свойства того и другого.
Следовательно, при падении света на сетчатку мы имеем дело не с потоком фотонов и не со световой волной, а с суперпозицией бозонов – внешних и внутренних, составляющих связи между фермионами атомов и молекул светочувствительных клеток глаза.
Значит, в момент поляризации мембраны нейрона мы наблюдаем не движение электронов и не электромагнитную индукцию, а суперпозицию бозонов – внешних и внутренних – ответственных за перенос энергии между фермионами перемещающихся ионов.
Итак, ответ найден.
Структурными элементами мозга являются субатомные частицы, бозоны. Способы взаимодействия этих элементов следует понимать как квантовые суперпозиции и их результаты. Отсюда – центральный тезис книги: мозг есть квантовая система.
Ортодоксально настроенные учёные, составляющие мейнстрим нынешней нейронауки, отвергают попытки описать мозг на микро-уровне с привлечением квантовой парадигмы. Они предпочитают оставаться на уровне классической электродинамики и не заглядывать в тёмный подвал, куда строители забыли провести электричество.
Их поддерживают «говорящие головы» и те, кто хотел бы до скончания времён обсуждать мозг исключительно в философских и/или психологических терминах. Они летают в облаках: у них – искания и порывы в виде благородной миссии по воспитанию человечества.
Всё это очень мило. Но если мы всерьёз взялись за самопознание, то не худо бы исходить из актуального знания, а не пересказывать друг другу сказки вековой давности. Тем более, что квантовая теория является общепризнанной научной концепцией уже добрую сотню лет.
Нам остаётся пояснить, причём тут «бесконечность», соседствующая в названии этой подглавы с термином «квант».
Это очень просто. Особенность квантовой суперпозиции в том, что количество состояний (местоположений, значений импульса и пр.) участвующих в ней бозонов бесконечно. В науке бесконечностью ведает математика и, в частности, теория множеств.
Таким образом, суперпозицию структурных элементов мозга можно представить ещё и как математический объект – бесконечное множество (подробнее – см. главу 6).
Хаос и становление
Даже неспециалисту очевидно, что в нашем мозге постоянно происходит какая-то движуха.
Человек не может перестать думать или чувствовать. Воспоминания то всплывают, то исчезают; переплетаются в причудливые конструкции, состоящие из реальности и фантазии. От рождения и до смерти – всегда, не исключая состояние сна – в нормальном мозге бродят какие-то образы.
Если вы более-менее следите за новостями науки, то к самонаблюдению можете добавить факты. Например, явление т.н. «нейрогенеза» – клетки мозга постоянно обновляются.
Что это за динамика, и откуда она берётся?
Нейроучёные пытаются определить это при помощи функциональных и визуальных методов: прежде всего, электроэнцефалографии и томографии.
В народе электроэнцефалографию (ЭЭГ) называет «шапочкой» из-за особенностей методики. К голове подводятся электроды, закрепленные на своеобразном шлеме из ткани или силикона.
«Шапочка» применяется для распознавания аномальных очагов биоэлектрической активности мозга. Например, при эпилепсии. У нормального мозга – своя картина биопотенциалов, благодаря чему мы можем четко различить, скажем, бодрствование и сон.
Ядерная магнитно-резонансная томография (или просто «томография», ТГ) также уже знакома многим. Очень популярный метод в современной медицине.
На практике особенно важным является то, что ТГ позволяет увидеть состояние мозговых сосудов (проницаемость, степень расширения/сужения и пр.), а также – общую гемодинамическую активность его отделов.
Некоторые полагают, что перманентный мониторинг мозга при помощи «шапочки» и томографии – наше неизбежное будущее.
Дескать, со временем устройства уменьшатся до компактных размеров. Их станут носить на руках (?), как модные сегодня фитнес-браслеты, шагомеры и прочие «умные часы». Человек сможет следить за динамикой собственного мозга онлайн.
Возможно, так и произойдёт.
Вот, только извлекаемая посредством этих методов информация имеет примерно такую же диагностическую ценность, как частота пульса или температура. Это важные, но сильно обобщённые и усредненные, параметры.
ЭЭГ и ТГ – нейробиологические градусники. Они демонстрируют общие симптомы процесса. Но ничего не говорят о его причинах.
Биопотенциалы, отраженные в электроэнцефалограмме, не что иное, как суммарные электромагнитные колебания клеток мозга. Ключевой характеристикой считается частота/длина волны. Различают диапазоны волн для физиологических состояний: скажем, для бодрствования и нескольких фаз сна.1
Но откуда берутся и как именно формируются диапазоны, «шапочка» не расскажет. Думаю, чтобы понять, спит человек или бодрствует, ЭЭГ не требуется.
Нейровизуализацию особенно хвалят за наглядность. Нечего сказать, картинка красивая: вы наблюдаете подкрашенные на мониторе зоны мозга, графическое отражение его гемодинамики. Можно, например, узнать, что арифметическая операция, сложение двузначных чисел, в вашем мозге «активизирует большую оксигенацию в теменной доле и задней части лобной доли». 5
Однако, как и почему миллионы/десятки миллионов клеток мозга проявляют активность, ТГ не ответит. Знание о том, что вы решаете арифметические задачки теменной и лобной долей мозга, никак не повлияет ни на скорость, ни на результат вычислений.
Поясним: нет никаких сомнений в пользе ЭЭГ и ТГ для диагностики грубых мозговых нарушений. Важно узнать, что формируется эпилептический очаг или участок с дефицитом кровоснабжения. В связи с этим можно провести профилактические мероприятия – назначить соответствующие лекарства и предотвратить мозговую катастрофу или хотя бы уменьшить её масштаб.
Но оба метода имеют своим предметом феномены макро-уровня. И не фиксируют ни тонкие нарушения, ни нюансы нормальной мозговой динамики.
Между тем, попытка описать микродинамику мозга – далеко не узко-теоретическая научная задача.
Во-первых, поскольку мы до сих пор не понимаем, что такое «мысль», «идея», «образ», «сложное чувство» и пр.; как именно всё это информационное многообразие рождается и трансформируется в разуме – нельзя этим управлять. Не в смысле пресловутого «контроля сознания» для каких-нибудь зловещих целей, а в простом, житейском, значении: для прояснения, в какой форме и сколько информации в данных условиях мы можем усвоить с максимальной эффективностью.
Заметим: все существующие сегодня рекомендации по психогигиене, психофизиологии труда и отдыха, психопрофилактике и пр. опираются на данные, полученные при изучении мозговых макро-феноменов.
Во-вторых, существует огромный пласт психических расстройств, у которых просто-напросто отсутствует указание на их непосредственную причину (например, шизофрения и аутизм); также есть немалая категория неврологических заболеваний, где причина, по всей видимости, заключается в нарушении механизмов мозговой микродинамики (например, болезнь Альцгеймера).
Но и психиатрия, и неврология в объяснении предполагаемой этиологии тяготеют к рассмотрению макро-феноменов: исследуются отдельные молекулы и молекулярные комплексы, нейромедиаторы, гены и пр.
Если мы хотим создать как можно более полную модель мозга, если мы заинтересованы в исследовании мозговых микро-феноменов (их трансформаций, взаимопревращений и т.д.) и установлении связей с макро-феноменами, нам нужен подходящий для этого инструмент.
Более того: выбранный способ описания должен быть адекватен языку, на котором мы высказались о структуре мозга. Иначе говоря, он должен быть совместим с представлениями о фермионно-бозонных взаимодействиях в рамках квантовой теории.
Существует ли такой инструмент?
Полагаю, что существует. Это математическая теория динамического (детерминистического) хаоса.
И, в таком случае, следует говорить о динамической системе «мозг-среда».
В соответствие с математической теорией хаоса, мы постулируем, что взаимодействующие элементы системы «мозг-среда» непрерывно совершают колебательные движения, формируя динамические конфигурации (физическое представление: суперпозиции бозонов).
Устойчивость режима колебаний – т.е. собственно микродинамика мозга – зависит от значения внешнего и внутреннего возмущающего фактора. В обеих формах этот фактор может быть описан и как биологический, и как информационный. Однако на уровне фундаментальной физической реальности он суть энергия бозонных взаимодействий.
Математическая теория хаоса даёт понятие о трёх основных динамических режимах. Мы полагаем, что все они представлены в системе «мозг-среда».
Минимальное значение возмущающего фактора позволяет системе сохранять равновесие (условно говоря – «состояние покоя», которое можно ассоциировать с повседневной коммуникацией).
Увеличение значения возмущающего фактора вынуждает систему перейти в преимущественно периодический режим (состояние регулярной когнитивной нагрузки – например, во время обучения, когда требуется что-нибудь запомнить, вычислить и пр.).
Наконец, при высоком, критическом для системы, значении внешнего возмущающего фактора (допустим, интенсивная интеллектуальная работа) или, наоборот, при его отсутствии (для нормального мозга – например, сенсорная депривация и, отчасти, состояние сна; для патологического мозга – скажем, шизофренический психоз) в системе будет наблюдаться преобладание хаотического режима.
Детально математическая теория хаоса рассматривается в главе 6; о её прикладном значении для характеристики нормальной и патологической микродинамики мозга вы можете прочесть в главе 7. Здесь мы лишь подчеркнём особую роль хаотического режима.
Сверхбыстрые сочетания суперпозиций элементов осуществляются в мозге постоянно и возможны только благодаря такому состоянию системы как динамический хаос.
В результате суперпозиции «схлопываются» и мозговые элементы превращаются в «событие». Эта – застывшая, но всегда готовая к новой трансформации – комбинация элементов и есть «мысль».
События-мысли могут быть бессмысленными и/или бесполезными (что соответствует, например, содержанию большинства наших снов). А могут стать ценными догадками, прозрениями, идеями.
Таким образом, всё, что вы когда-либо сознательно/бессознательно обдумывали, переживали, вспоминали, фантазировали и пр. – одним словом, комбинировали, рождено в хаосе вашего мозга.
Хаос и его результат, мозговое «событие», в данном случае – не метафора, а вполне определённое математическое понятие. Эквивалентным в наибольшей степени выражением для динамического хаоса и его исхода на естественном языке будет термин «становление».
Нужно только уточнить, что в реальном разуме становление мысли ограничено лишь продолжительностью биологического существования мозга. Живая мысль суть подвижная конфигурация, одинаково далёкая, как от Абсолютного Хаоса, так и от Абсолютного Порядка.
Функциональные и визуальные методы описания мозговой динамики, такие, как ЭЭГ и ТГ, скользят по поверхности, не затрагивая сути. Обладая всей полнотой данных о биопотенциалах и томографической архитектуре мозга, мы, тем не менее, обречены пассивно созерцать живописные полотна, ничего не зная об их авторе, его замыслах и намерениях.
