(Теории и гипотезы) А. БАРБАРАШ Новая редакция ОГЛАВЛЕНИЕ

А. БАРБАРАШ
(Анатолий Никифорович БАРБАРАШ
E-mail: barbarash@farlep.net)
(Теории и гипотезы)
Новая редакция
ОГЛАВЛЕНИЕ
БАЗОВАЯ ОПЕРАЦИЯ МЫШЛЕНИЯ
3.3.1. Принцип голографической памяти .................................................................................................... 2
3.3.2. Голографическая память мозга .......................................................................................................... 2
3.3.3. Оптический Фурье-процессор............................................................................................................. 4
3.3.4. Преобразования Фурье в мозге ......................................................................................................... 6
3.3.5. Базовая операция мозга ...................................................................................................................... 9
3.3.6. О геометрической точности ............................................................................................................. 10
3.3.7. О когерентности волн ....................................................................................................................... 11
Предыдущий раздел
Последующий раздел
Общее оглавление
БАЗОВАЯ ОПЕРАЦИЯ МЫШЛЕНИЯ
3.3.1. Принцип голографической памяти
Пучок лучей, падающий на фотопластинку во время экспонирования, характеризуется не
только пространственным распределением интенсивности световых волн, но и их фазовыми
соотношениями. В обычной фотографии почернение фотоэмульсии фиксирует только интенсивность светового потока, т.е. не регистрирует фазу световых колебаний.
Главное отличие голографического способа записи информации в том, что на светочувствительный слой одновременно направляются два пучка лучей – предметный (несущий регистрируемую информацию, т.е. промодулированный ею) и опорный немодулированный пучок. Биения между ними создают сложную картину интерференции, которая отображает не
только распределение интенсивностей, но и фазовые характеристики предметного пучка, теряемые в обычной фотографии.
Чтобы фазовые соотношения точно отображались в картине интерференции, оба пучка
должны быть когерентными, и их взаимное положение должно строго сохраняться на время
регистрации изображения (о когерентности – в гл. 2.3.7.).
При считывании фотослой освещается таким же немодулированным когерентным пучком, как и опорный, но только теперь он называется считывающим. Считывающий пучок
должен быть ориентирован по отношению к фотослою так же, как опорный. Если ориентировать считывающий пучок иначе, то воспроизвести (прочесть) записанное изображение, в
общем случае, не удастся.
Такая зависимость успеха считывания от направления считывающего пучка позволяет
записывать на одном и том же фотослое несколько несмешивающихся изображений. Нужно
лишь при записи и воспроизведении каждого из них устанавливать другое (но одинаковое
при записи и воспроизведении) направление падения опорного немодулированного пучка на
фотослой. Количество изображений (двумерных информационных массивов, образов), которые могут быть записаны на одном и том же участке фотослоя, увеличивается с увеличением
толщины и разрешающей способности фотослоя.
Одинаковые углы, под которыми должны быть ориентированы опорный и считывающий
пучки относительно запоминающей среды для записи и воспроизведения конкретного изображения, играют роль его адреса в памяти.
3.3.2. Голографическая память мозга
Многие авторы отмечали, что кора мозга проявляет свойства голографической памяти.
Можно перечислить длинный ряд имён авторов голографических моделей мозга (R.Beurle,
P.R. Westlake, K. Pribram, И.Г. Беспалько, P. Greguss, A. Borsellino, T. Poggio, Ю.А. Воронов,
С.Н. Брайнес, А.И. Суслов, В.А. Преснов, Г.И. Шульгина и др.), и у всех основой такой позиции было сходство свойств нашей памяти со свойствами голографической системы.
Действительно, и голографическая память (например, на основе толстослойной фотоэмульсии), и наш мозг имеют одни и те же особенности:
– запись каждой порции информации происходит не на определённом участке запоминающей среды, размеры которого соответствовали бы ёмкости информационного пакета, а в
обширной области, значительно превышающей нужные для этого пакета размеры;
– запись и чтение информации происходят не поэлементно, а сразу в виде двумерных
массивов, образов;
3.3.2. Голографическая память мозга
3
– в одной и той же области запоминающей среды хранится множество различных не
смешивающихся информационных массивов, образов;
– в отличие от других способов запоминания информации, оказывается возможным
практически мгновенное извлечение из памяти любого образа, независимо от его адреса;
– характерно одинаковое реагирование на локальные повреждения памяти – не исчезновение какой-то конкретной информации, что свойственно другим системам, а лишь общее
снижение отношения сигнал/шум;
Наконец, в пользу голографической природы памяти мозга говорит высокая скорость запоминания и извлечения информации из памяти („быстрый, как мысль ...”) при низкой скорости элементарных процессов, с помощью которых эти действия реализуются.
Изучение клинической картины повреждений мозга позволило заключить, что вместилищем нашей памяти является кора больших полушарий. Именно её повреждения выявили
перечисленные черты сходства с голографической памятью.
Учёными проведено много исследований для выяснения физической, химической и биологической природы памяти мозга. Исследования далеко не завершены, но отдельные выводы уже могут быть сделаны. Ясно, что память мозга основана не на одном, а на нескольких
биологических механизмах.
Об этом говорят различия свойств кратковременной и долговременной памяти, множественность способов реагирования нейронов на характер стимуляции – биохимические изменения в протоплазме (среди них – синтез РНК и белков), изменения синапсов и их органелл,
разрастание аксонных коллатералей, замена дегенерировавших синапсов окончаниями аксонов других систем и т.п. [Бабминдра, Брагина, 1989]. При стимуляции нейрона происходит
перестройка его дыхания и ультраструктуры, набухание эндоплазматического ретикулума и
митохондрий, сброс рибосом с мембран и т.п.
Изменения, остающиеся после возбуждения нейрона, проявляются на уровне клетки в
целом и на уровне синапсов. Поскольку на один нейрон мозга приходятся тысячи синапсов,
можно предположить, что именно они определяют геометрическую разрешающую способность тканей мозга как запоминающей среды и, следовательно, определяют ёмкость
памяти. Но и без этого, современная оценка числа нейронов в мозге человека – порядка 1000
миллиардов – позволяет говорить о среднем шаге расположения нейронов около 10 микрон,
что сопоставимо с разрешающей способностью фотоэмульсий.
Такие соображения позволяют считать ткани мозга высокоразрешающей запоминающей
средой, где оставляют свои следы волны нервного возбуждения. Запоминающая способность
разных тканей мозга неодинакова, в них заметна некоторая специализация. Основным вместилищем памяти является кора больших полушарий. Если оценивать кору как запоминающую среду голографической системы, то ясно, что значительная толщина и высокая разрешающая способность говорят о возможности запоминания в одном и том же объёме нервной
ткани очень большого количества независимых (несмешивающихся) образов.
В каком виде запоминается информация в коре мозга? Ответ даёт сопоставление нервной
ткани коры с голографической запоминающей средой, например, систем голографического
кинематографа [Комар, Серов, 1987].
В результате взаимодействия (интерференции) опорного и предметного лучей, в слое фотографической эмульсии возникает сложное распределение участков концентрации световой
энергии, которое после проявления и закрепления фотоматериала регистрируется в виде
микроскопических участков потемнения фотослоя. При работе фотослоя „на отражение” эти
участки модулируют (избирательно изменяют) степень отражения лучей, а при работе „на
просвет” – модулируют степень поглощения лучей или прозрачность слоя. Увидеть простым
глазом в совокупности потемневших участков зарегистрированное изображение невозможно.
Но если направить на фотослой когерентные лучи лазера, то они подвергнутся дифракции на
мельчайших потемневших участках эмульсии, и тогда в пространстве, в стороне от фотослоя, сформируется изображение зарегистрированных голограммой предметов.
4
БАЗОВАЯ ОПЕРАЦИЯ МЫШЛЕНИЯ
Для коры мозга „потемневшие” участки запоминающей среды – это микроскопические
участки ткани, несколько хуже проводящие нервные импульсы, а значит, и волны нервного
возбуждения. Картина интерференции опорной и предметной волн нервного возбуждения
запоминается нервной тканью в виде сложного распределения мельчайших участков, более
заторможенных, менее возбудимых, чем в среднем ткань коры полушарий. Важную роль
должны играть не только „приторможенные” нейроны, но и отдельные синапсы, ставшие
менее „прозрачными”, менее проводящими для нервных импульсов.
Пытаться прочесть голографическую запись в коре мозга – бесполезно. Конкретная информация (например, рисунок самолёта) оказывается распределённой в многомиллиардном
ансамбле нейронов и как бы зашифрованной. Ключом к шифру является считывающая волна
нервного возбуждения, движущаяся точно в том же направлении, что и при записи.
Чем толще кора и выше её разрешающая способность (т.е. гуще расположены нейроны и
синапсы), тем больше образов может быть запомнено на данном участке коры без помех
друг другу, и значит, тем меньше отличаются друг от друга углы прохождения волн, записывающих и считывающих разные образы. И точнее должны быть направлены эти волны.
Вероятно, в ходе эволюции птиц естественный отбор работал на достижение особенно
высокой плотности записи информации в мозге ради уменьшения его веса. Поэтому не следует удивляться, если окажется, что по интеллекту на единицу массы мозга птицы опережают
других животных.
Когда приходит считывающая волна нужного направления, она испытывает дифракцию
на заторможенных нейронах и „непрозрачных” синапсах. При этом нейроны, ранее заторможенные при запоминании множества других образов, ослабляют и несколько зашумливают
считывающую волну, но не создают на выходе связного изображения. Целостное изображение на выходе памяти способны сформировать лишь нейроны, ставшие заторможенными в
момент запоминания единственного образа, при записи которого опорная волна нервного
возбуждения проходила строго под тем же углом, что и считывающая волна.
О механизме адресации, т.е. управления направленностью волн, см. ниже, в главе 3.4.2.
Теория голографической записи информации к настоящему времени разработана хорошо, но разработана применительно к использованию синусоидальных волн. В мозге же действуют солитоны. Исследование специфики солитонной голографии ещё впереди. Несомненно, оно углубит проникновение в физиологию мозга.
3.3.3. Оптический Фурье-процессор
Решая задачу о распространении тепла, Жан Батист Жозеф Фурье (1768-1830) разработал
метод разложения функций на синусоидальные составляющие. Такое разложение, как и обратная операция, когда они применяются к двумерным информационным массивам, являются достаточно сложными вычислительными задачами, на решение которых компьютеры затрачивают немало времени. Однако, сложные и громоздкие двумерные преобразования
Фурье, требующие ощутимых затрат машинного времени, мгновенно осуществляются простейшим оптическим вычислительным устройством – сферической поверхностью раздела
двух сред с разными скоростями распространения волн. В качестве такой поверхности обычно используется поверхность линзы [Франсон, 1972, с. 174].
Заслуживает удивления тот факт, что и обратное преобразование Фурье, хотя описывается иной, не менее сложной формулой, тоже выполняется точно такой же линзой.
На рис. 3.1 представлена схема оптического преобразователя Фурье. Здесь:
T – транспарант (диапозитив) с исходным изображением; L – положительная (т.е. обычная,
выпуклая) линза; Р – фокальная плоскость линзы; W – поверхность, на которой формируется
Фурье-образ изображения, записанного на транспаранте, т.н. частотная область Фурьепреобразования; f – фокусное расстояние линзы.
3.3.3. Оптический Фурье-процессор
5
Как видно из рисунка, транспарант с исходным изображением освещается слева параллельным пучком когерентных лучей. После прохождения лучей сквозь транспарант и линзу,
на поверхности W оказывается сформированным результат преобразования Фурье. Как
входная, так и выходная информация представлены здесь в виде изображений, т.е. в виде
двумерных информационных массивов. Поэтому можно заключить, что в данном случае
линза выполняет двумерное преобразование Фурье.
T
L
W
P
f
Рис. 3.1. Схема оптического преобразователя Фурье.
Если на транспаранте записан Фурье-образ некоторого изображения, то линза выполнит
обратное преобразование Фурье, т. е. на поверхности W окажется восстановленным это „
первичное” изображение.
На рис. 3.1 транспарант расположен практически вплотную к линзе. Здесь поверхность
формирования Фурье-образа W оказывается сферической, с радиусом, равным фокусному
расстоянию линзы. Если отодвинуть транспарант влево на фокусное расстояние (от линзы),
то поверхность формирования Фурье-образа превратится в плоскость, совпадающую с
предыдущим случаем в точке на оптической оси.
Пример того, как выглядит двумерное преобразование Фурье в оптическом вычислителе,
даёт рис. 3.2.
Здесь на транспаранте T выделены четыре области (A, B, C, D), заполненные группами
параллельных черно-белых полос. Линза расположена на расстоянии f от транспаранта, благодаря чему поверхность W имеет вид плоскости.
Каждая из полос имеет оптическую плотность, изменяющуюся (поперёк полосы) по синусоидальному закону от некоторого минимума до некоторого максимума. В таком случае
каждая из четырёх областей будет содержать сигнал определённой пространственной частоты. Если транспарант осветить параллельным пучком когерентных лучей, группы полос подвергнутся Фурье-преобразованию, и на поверхности W, т.е. в частотной области, сформируются результирующие сигналы в виде небольших световых пятен.
Определённая пространственная частота отображается в частотной области в виде двух
световых пятен, расположенных симметрично, относительно точки начала частотных координат.
Плоскость W условно делится на две полуплоскости, на одной из которых располагаются
действительные, а на другой – мнимые величины. Каждой пространственной частоте исходного изображения на этой плоскости соответствуют две точки – одна в действительной и другая – в мнимой области.
6
БАЗОВАЯ ОПЕРАЦИЯ МЫШЛЕНИЯ
Рис. 3.2. Двумерное преобразование Фурье.
Если провести через начало координат прямую, параллельную исходным полосам, то
пятна расположатся с двух сторон от неё на перпендикулярах, восстановленных из центра.
Например, полосам области A соответствуют пятна a и a', области B – пятна b и b' и т.д.
Чем выше пространственная частота, тем на больших расстояниях от центра располагаются соответствующие световые пятна.
Расположение пятен в частотной области отражает ориентацию полос, но безразлично
(инвариантно) к размещению полос на транспаранте (т.е. пятна не изменяются и не смещаются при поперечном перемещении полос). Однако это не значит, что Фурье-образ не содержит всей информации об исходном изображении. Дело в том, что информация о местоположении полос закодирована в фазовой картине волн, формирующих Фурье-образ, а этого
нельзя отобразить на нашем рисунке.
Точное расположение полос нельзя было бы зафиксировать и на фотослое, установленном в плоскости W, так как в обычной фотографии почернение фотоэмульсии фиксирует интенсивность светового потока, но не фазу световых колебаний. Если же воспользоваться
принципами голографии, т.е. кроме Фурье-образа направить на плоскость W немодулированный (опорный) пучок таких же когерентных лучей, какие освещают транспарант, то биения между ними создадут сложную картину интерференции, несущую информацию о фазах
волн. Такой приём как раз и позволяет запечатлевать на фотослое информацию не только об
оптических плотностях полос, но и о поперечном смещении полос относительно оси системы, т.е. об их фазах.
3.3.4. Преобразования Фурье в мозге
Согласно авторской концепции нейроголографии, в анатомическом строении мозга многократно повторены структуры, приспособленные для выполнения прямых и обратных преобразований Фурье. Роль световых лучей здесь выполняют волны нервного возбуждения, а в
качестве линз выступают ядра мозга – округлые скопления мелких нейронов с короткими аксонами. В головном и спинном мозге человека насчитывается около 260 таких ядер [Оленев,
1987].
3.3.4. Преобразования Фурье в мозге
7
Как известно, у млекопитающих, в отличие, например, от кальмаров, длинный отросток
нейрона – аксон – обёрнут шванновскими клетками, заполненными жироподобным диэлектрическим веществом – миелином. Шванновские клетки изолируют волокна нервного пучка
от окружающих тканей, но изоляция имеет разрывы на стыках между шванновскими клетками, где возникает электрический контакт аксона с межклеточной средой. Участки разрыва
изоляции нервного волокна называются перехватами Ранвье.
Распространение нервного возбуждения вдоль такого аксона происходит не плавно, как в
аксоне кальмара, а скачками, от одного перехвата Ранвье к другому, причём затраты времени на прохождение одного перехвата в первом приближении одинаковы и не зависят от длин
участков между соседними перехватами. Поэтому скорость распространения нервного
возбуждения оказывается тем выше, чем дальше перехваты друг от друга.
.В нервном пучке расстояние между перехватами Ранвье намного больше, чем внутри
ядра. К тому же, каждое волокно пучка является непрерывным аксоном одного нейрона и
при прохождении по нему сигнал не задерживается на синаптических переходах, тогда как
нейроны ядра имеют очень короткие аксоны, и в ткани ядра сигнал должен многократно
преодолевать синаптические щели. В результате, при переходе от пучка волокон к ткани ядра волна нервного возбуждения скачком замедляет своё распространение.
Изменение скорости распространения волн при пересечении некоторой поверхности, как
известно, сопровождается преломлением волны на этой поверхности. Преломление происходит даже в том случае, если скорость волн изменяется не скачком, а плавно. Так, кажущаяся
деформация Солнца во время восхода и заката вызывается плавным увеличением скорости
света с высотой из-за уменьшения коэффициента преломления атмосферы.
Преломление волны на сферической поверхности создаёт эффект линзы, фокусное расстояние f которой, как мы видели в главе 2.1.7., можно определить, пользуясь нулевым инвариантом Аббе [Ландсберг, 1976], по известной из той же главы формуле:
nR
f =  .
(2)
n1
где n – коэффициент преломления, т.е. отношение скоростей распространения волн в первой
и второй средах; R – радиус сферической поверхности или, в нашем случае, радиус поверхности ядра мозга.
Из формулы видно, что при сферической форме ядра и соотношении скоростей распространения нервного возбуждения в пучке волокон и в ядре два к одному фокусное расстояние оказывается точно равным диаметру ядра. При таких параметрах ядро мозга способно
выполнять роль преобразователя Фурье. Другими словами, если пучок волокон подаст на
вход ядра когерентную волну-образ, на противоположной стороне ядра сформируется
Фурье-образ того узора, которым была промодулирована входная волна.
Учитывая такую обработку, ядра мозга, выполняющие прямое или обратное преобразования Фурье, будем называть процессорными ядрами.
Схема типового нейро-оптического преобразователя Фурье, используемого мозгом, приведена на рис. 3.3. Здесь: 1 – пучок нервных волокон, подводящий входные сигналы; 2 – шарообразное процессорное ядро мозга; 3 – поверхность формирования Фурье-образа (при
прямом преобразовании Фурье) или поверхность восстановления исходного изображения
(при обратном преобразовании); 4 – пучок волокон, отводящий выходные сигналы; f – фокусное расстояние ядра при указанных выше условиях.
В зоне подключения к ядру пучок нервных волокон разветвляется, отчего периферийные
волокна становятся длиннее центральных. При переходе от пучка волокон к короткоаксонным нейронам ядра скорость волны нервного возбуждения скачком уменьшается и волна
входит в более или менее изотропную среду. Именно это важно для выполнения ядром роли
линзы. Ещё важно, что оптическая длина нервного волокна (время прохождения сигнала)
определяется числом перехватов Ранвье на нём, и практически совершенно не зависит от ре-
8
БАЗОВАЯ ОПЕРАЦИЯ МЫШЛЕНИЯ
альной длины аксона. Если все волокна пучка имеют одинаковые количества перехватов
Ранвье, то, независимо от их длин, поверхность волны нервного возбуждения на выходе пучка сохранит форму, которая была на входе, т.е. нерв будет переносить образ подобно стекловолоконному пучку с плоскопараллельными торцами.
Преобразования же волнового поля, придающие поверхности преломления свойства линзы, возникают в случаях, когда плоский фронт волны после преломления становится вогнутым или выпуклым. Образование вогнутого фронта соответствует выполнению преломляющей поверхностью роли собирающей, а выпуклого – рассеивающей линзы. При этом не существенно, по какой причине фронт волны стал, например, вогнутым – это не изменяет результата. Причиной может быть не только сферическая форма рассматриваемого ядра мозга, но и
увеличение количества перехватов Ранвье от периферийных волокон подводящего нерва к
центральным, что дополнительно задерживает сигнал центральных волокон. Это нужно учитывать при изучении анатомии конкретных пучков и ядер.
2
3
1
4
f
Рис. 3.3. Схема нейро-оптического преобразователя Фурье.
Можно заметить, что теоретическая поверхность формирования Фурье-образа несколько
не совпадает с задней поверхностью ядра, на которой начинается отводящий пучок нейронов. С отклонением точек поверхности формирования изображения от поверхности расположения чувствительных элементов часто приходится мириться и в технике, и в нашей зрительной системе. Например, плоский киноэкран проецируется в глаз как плоскость, но воспринимается сферической поверхностью сетчатки. Возникает аберрация, которую условно
можно назвать кривизной поля.
В действительности кривизной поля называют противоположный случай – когда фоточувствительные элементы расположены в плоскости, а поверхность формирования резкого
изображения искривлена, но по результатам эти ситуации равноценны.
Как правило, ядра мозга не имеют формы строгой сферы. Это может ухудшать качество
Фурье-преобразования, а может и улучшать его. С таких позиций мозг изучен недостаточно.
Например, если радиус кривизны задней поверхности ядра окажется вдвое большим, чем радиус передней поверхности, то при указанном соотношении скоростей волн это как раз будет
соответствовать идеальному совпадению начальных точек отводящего пучка нейронов с теоретической поверхностью формирования Фурье-образа.
При определении формы ядра, обеспечивающей теоретически точное Фурьепреобразование, важно учитывать и конкретные коэффициенты преломления, т.е. реальное
изменение скорости распространения нервного возбуждения при переходе от пучка волокон
к нейронам ядра. Разным коэффициентам преломления соответствуют разные формы
идеального ядра-преобразователя.
*
*
*
В последующих главах будут приведены данные, убеждающие в реальности выполнения
мозгом прямых и обратных двумерных преобразований Фурье. Труднее, при сегодняшней
технике эксперимента, доказать, что эти преобразования выполняются именно ядрами мозга.
Хорошим доводом могло бы стать расчётное сопоставление реальной формы ядра с графи-
3.3.4. Преобразования Фурье в мозге
9
ком изменений скорости волны нервного возбуждения, при условии набора статистики по
разным ядрам. Пока такие данные автору не известны.
3.3.5. Базовая операция мозга
На основе голографической памяти и оптических преобразователей Фурье в технике созданы устройства, называемые голографическими корреляторами [Василенко, Цыбулькин,
1985]. Схема такого устройства приведена на рис. 3.4.
1
2
f
3
f
4
5
f
f
Рис. 3.4. Схема голографического коррелятора.
Здесь: 1 – транспарант с обрабатываемым изображением; 2 – линза, выполняющая прямое преобразование Фурье; 3 – фильтр, установленный в частотной плоскости; 4 – линза,
выполняющая обратное преобразование Фурье;
5 – плоскость формирования результирующей функции; f – фокусное расстояние линз.
Транспарант 1 освещается слева параллельным пучком когерентных лучей. После прохождения лучей через линзу 2, выполняющую прямое преобразование Фурье, в плоскости
фильтра 3 формируется частотный образ исходного изображения (результат прямого преобразования Фурье), отчего эту плоскость в голографическом корреляторе называют частотной плоскостью.
Если фильтр 3 имеет по всей поверхности одинаковую оптическую плотность и не вносит фазовых искажений, то после прохождения лучей через линзу 4, выполняющую обратное
Фурье-преобразование, в плоскости 5 (т.е. на выходе коррелятора), сформируется копия исходного изображения.
С математической точки зрения, сигналы, приходящие после прямого преобразования
Фурье, перемножаются в частотной плоскости на прозрачность фильтра 3. Если фильтр 3
представляет собой непрозрачную пластину, имеющую отверстия в местах, соответствующих определённой пространственной частоте, то в плоскости 5 сформируется только та
часть исходного изображения, которая выражается такой частотой.
Плоскость 5 условно делится на две полуплоскости, на одной из которых располагаются
действительные, а на другой – мнимые величины. Каждой пространственной частоте исходного изображения на этой плоскости соответствуют две точки – одна в действительной и другая – в мнимой области.
Намного интереснее оказывается результат работы такой схемы, если вместо фильтра 3
установлена прозрачная пластинка с предварительно записанной голограммой Фурье-образа
некоторого эталонного изображения, например, какого-то иероглифа. Тогда в плоскости 5
сформируется двумерная функция корреляции между исходным изображением и эталоном.
Если в качестве транспаранта 1 установить страницу иероглифического текста, в плоскости 5
появятся световые пятна в местах, соответствующих положению на этой странице эталонного (искомого) иероглифа.
Интересно, что при этом за одну операцию искомый рисунок (иероглиф) отыскивается и
отмечается сразу по всей площади анализируемой страницы. Это как раз то свойство, кото-
БАЗОВАЯ ОПЕРАЦИЯ МЫШЛЕНИЯ
10
рым, как отмечалось выше, обладает и мозг – способность мгновенно находить и извлекать
из памяти нужные данные, независимо от их адреса.
Сигнал корреляции между входным и эталонным образами является эффективным критерием сходства сравниваемых изображений, из-за чего приведенная на рис. 3.4 схема получила распространение в технике автоматического распознавания образов. Кроме других достоинств, это устройство обладает огромным быстродействием – функция корреляции между
большими двумерными информационными массивами (образами) вычисляется за кратчайшее время – за одну операцию.
Несколько видоизменяя режим, можно за одну операцию сравнить входное изображение
с несколькими эталонами, записанными в памяти под близкими адресами. Сигналы корреляции между входным изображением и отдельными эталонами расположатся в разных точках
плоскости 5. По интенсивности сигналов можно судить о степени сходства входного изображения с разными эталонами. Конечно, и такой вариант работы используется мозгом.
Согласно авторской концепции нейроголографии, в анатомическом строении мозга более сотни раз повторены структуры, вычисляющие на базе прямых и обратных преобразований Фурье корреляцию между двумерными информационными массивами. Такие структуры
мозга, названные нейрокорреляторами действуют по принципиальной схеме рис. 3.4, но, с
учётом анатомии мозга, более соответствуют виду, представленному на рис. 3.5.
1
2
3
4
5
6
7
Рис. 3.5. Схема нейроголографического коррелятора
(нейрокоррелятора) в структуре мозга
Здесь: 1 – пучок нервных волокон, подводящий исходную волну-образ; 2 – процессорное
ядро, проводящее прямое преобразование Фурье; 3 – пучок, переносящий Фурье-образ в область памяти; 4 – область голографической памяти (участок коры мозга); 5 – пучок волокон,
переносящий результат фильтрации образа к следующему процессорному ядру; 6 – процессорное ядро, выполняющее обратное Фурье-преобразование; 7 – пучок волокон, отводящий
сигнал корреляции.
С позиций концепции нейроголографии, такое анатомическое образование является
главной и типовой вычислительной структурой мозга. В общей архитектуре мозга схема
нейрокоррелятора может усложняться дополнительными связями, ядрами или областями памяти. Будучи многократно повторёнными, такие структуры образуют в мозге высших позвоночных совокупность сенсорных систем и две интегративные подсистемы – принятия решений и исполнительную.
3.3.6. О геометрической точности
Может показаться, что мозг не способен подчиняться законам оптики, поскольку не содержит поверхностей, обладающих оптической точностью. Мы уже останавливались на подобной проблеме в главе 2.2.7., когда шла речь о геометрической точности клеточного ядра.
Отмечалось, что судить об эффективности работы информационных систем животных по их
анатомическому строению нужно с большой осторожностью.
3.3.6. О геометрической точности
11
Когда речь идёт об оптической системе управления генами эукариот, легко заметить низкую геометрическую точность клеточного ядра, что, казалось бы, исключает разговоры о какой-либо оптической системе на его основе. Сопоставление с прозрачными стёклами приборов наводит на мысль, что биологические ткани являются слишком „мутной” средой для химических волн, действующих в этой оптике. Структура ткани насыщена элементами, мешающими беспрепятственному распространению волн. Протоплазма клеток связана между собой
лишь в дискретных точках – через коннексоны, трубочки молекулярного размера, пронизывающие клеточные стенки. Для перехода из одной клетки в другую волна химических реакций должна дробиться на элементарные волны, которые „протискиваются” сквозь узкие каналы коннексонов.
Тем ни менее, приведены многочисленные свидетельства подчинения генетической системы именно оптическим закономерностям. Названы факты (например, вызов злокачественной опухоли зеркальной поверхностью), которые иначе как действием оптических законов
объяснить невозможно, и центральную роль в них играет оптика клеточных ядер.
Аналогично, анатомия человеческого глаза заставляет думать, что он не способен формировать высококачественную картину внешнего мира. Геометрическая точность хрусталика
не идёт ни в какое сравнение с точностью линз объективов. Перед слоем фоторецепторов
расположена хаотичная сеть нервных волокон и капилляров, накладывающаяся на изображение. Фоторецепторы расположены очень неравномерно – от центра к периферии плотность их расположения убывает в сотни раз, а вблизи центра есть „слепое пятно”, где фоторецепторы вообще отсутствуют! Чувствительная сторона фоторецепторов у человека, в отличие, например, от кальмара, обращена не к приходящему свету, а, вопреки логике, в противоположную сторону, к черному непрозрачному слою клеток, заполненных меланином.
„Каким образом из дрожащих, смутных теней на дне каждого глаза мозг воссоздаёт единый видимый мир, поразительно богатый, надёжно устойчивый ... – это загадка, решение которой не даётся самым талантливым физиологам, посвятившим себя изучению сенсорных систем” [Сомьен, 1975].
Сходные отклонения от технических идеалов свойственны всем информационным системам животных. Например, в слуховой системе человека нет ничего похожего на камертон или
другой эталон частоты, который мог бы объяснить феномен музыкального слуха.
Повторим снова и снова – анатомическая точность высокоэффективных информационных систем животных (зрительных, вестибулярных, локационных, навигационных и др.)
всегда намного ниже, чем можно было бы ожидать, исходя из знакомства с их техническими аналогами. В этом смысле, низкая геометрическая точность анатомических структур
мозга очень хорошо согласуется со столь же низким уровнем анатомической точности других биологических информационных систем. Применительно к базовой вычислительной
структуре мозга, изображённой на рис. 3.5, существует ряд факторов, уменьшающих аберрации (искажения) из-за отклонения геометрической формы процессорных ядер от расчётной.
Например, мы вправе ожидать равенства размеров волн-образов на входе и выходе коррелятора, а при этом в голографической системе исчезают пять аберраций третьего порядка –
сферическая аберрация, кома, астигматизм, кривизна поля и дисторсия [Юу, 1979, с.
223], т.е. исчезают практически все главные аберрации. Кроме того, можно рассчитывать на
идентичность фронтов опорной и считывающей волн, так как они генерируются одной и той
же системой, а это является условием отсутствия астигматизма.
Важным фактором снижения аберраций в нейрокорреляторах мозга (по сравнению с техническими устройствами) является постоянство их архитектоники, масштабов проекции, путей прохождения опорных волн. Это, как правило, не обеспечивается в приборах, потому что
мы в большинстве случаев усложняем их системами настройки, регулировки, переключения
режимов, диапазонов и т.д.
3.3.7. О когерентности волн
Когерентность, грубо говоря, означает определённость фазовых соотношений между
разными участками волнового фронта. Даже в излучении лазера, которое называют когерентным, такую определённость фаз нельзя считать абсолютной. Степень когерентности ча-
12
БАЗОВАЯ ОПЕРАЦИЯ МЫШЛЕНИЯ
сто характеризуют длиной пути, в конце которого фазы разных участков волнового фронта
ещё сохраняют достаточную определённость, если в начале они были строго известны.
Механизм генерирования ядрами таламуса немодулированных волн нервного возбуждения позволяет считать эти волны в момент генерирования когерентными, подобно волнам,
расходящимся по поверхности воды от брошенного камня. Но сохраняется ли когерентность
этих волн при их дальнейшем распространении по тканям мозга? Сомнения могут возникать,
прежде всего, из-за сотрясения тканей мозга при беге, прыжках, борьбе, особенно если
учесть, что мозг не является твёрдым телом (например, как кость).
Если обратиться к техническим системам, то увидим, что ради сохранения когерентности
в голографическом устройстве, часто приходится использовать такой непростой приём, как
размещение его на массивной гранитной плите, покоящейся на надутой резиновой подушке.
Без таких мер даже обычные, не замечаемые нами, сотрясения почвы или здания достаточны
для появления вибраций, меняющих расстояния между оптическими элементами, и недопустимо нарушающих взаимное согласование фаз разных лучей, например, предметного (прошедшего через диапозитив) и опорного пучков.
Значит ли это, что принципы голографии, требующие строгого сохранения фазовых соотношений волн, неприменимы к такой податливой, слабо амортизированной системе, как
мозг? Оказывается, нет, не значит.
Напомним, что у млекопитающих отростки нейронов обёрнуты шванновскими клетками,
заполненными миелином. Они изолируют волокна нервного пучка друг от друга и от окружающих тканей. Но изоляция имеет разрывы – перехваты Ранвье – на стыках между шванновскими клетками, где возникает электрический контакт аксона с межклеточной средой и
разыгрываются главные электрохимические процессы распространения возбуждения. Поэтому нервный импульс перемещается скачками, от одного перехвата к другому, и задержка
на каждом перехвате, в первом приближении, одинакова.
Соответственно, время прохождения нервного импульса по цепочке нейронов определяется не геометрической длиной цепочки, а дискретными параметрами – числом
перехватов Ранвье и числом синаптических переходов. Деформации нейронов не изменяют числа перехватов Ранвье и синаптических переходов, а потому не влияют на время перемещения нервного импульса и на соотношение фаз сигналов, прошедших по разным цепочкам. Благодаря такому „техническому решению”, Природа сделала голографическую систему мозга нечувствительной к толчкам и вибрациям.
При голографической природе мышления, если бы нейроны человека были, как у кальмара, безмиелиновыми, если бы они не изолировались шванновскими клетками и не имели
перехватов Ранвье, наш мозг не мог бы нормально функционировать при беге, толчках, ударах. Не случайно Природа сочетала мозг с безмиелиновыми нейронами только в таких организмах, которые никогда не встречаются с высокими ускорениями, на протяжении всей жизни
не испытывают толчков и ударов. Даже реактивный способ движения головоногих моллюсков
обеспечивает им повышенную плавность набора скорости по сравнению с рыбами!
Если вспомнить искажённые перегрузкой лица космонавтов при взлёте ракеты, невольно
приходит мысль, что, достигни головоногие моллюски уровня развития разумных существ,
поднимись они до космических полётов, это свойство организмов, надо думать, существенно
затормозило бы их продвижение в Космос. Неужели, делая разумными существами именно
приматов, Природа могла видеть так далеко? Неужели и здесь проявилось особое предназначение существ, наделённых Разумом?
Последующий раздел