Science Tribune - Article - May 1997
http://www.tribunes.com/tribune/art97/peru1.htm

Neural networks, quantum systems, and consciousness

Mitja Perus

Нейронные сети, квантовые системы и сознание

 Митья Перус

 Резюме

 Может ли гибридная "нейроквантовая" модель помочь объяснить природу сознания? Этот вопрос вдохновлен математическими аналогиями между квантовыми теориями и моделями ассоциативных нейронных сетей. Мы указываем на пробелы в исследованиях сознания, которые могла бы заполнить квантовая физика.

 В течение нескольких последних лет ученые становятся всЈ более и более заинтересованными в изучении сознания в убеждении, что это явление можно объяснить современными методами вычислений и моделирования.

 Нейронные сети объясняют, как работает мозг

 С разработкой теории нейронных сетей стал доступен математический аппарат, необходимый для моделирования процессов, столь сложных, как человеческий мозг и компьютерной имитации этих процессов. Нейронные сетевые модели успешно объясняют [1]: Нейронные сети также могут частично объяснять фоновые процессы, входящие во внимание, понимание и высшие мыслительные процессы (интуиция, рассуждение и язык). Кроме того, поскольку нейронные сети взаимодействуют, нейронная сеть может самовзаимодействовать и таким образом объяснять взаимодействие нашего ума с самим собой, иными словами, осведомленность о своих мыслях.

 Роль квантовых процессов

 Однако, нейронные сети сами по себе, вероятно, не могут объяснить природу сознания. В отличие от нейронных сетей мы можем чувствовать качества объектов и идей, которые мы воспринимаем, т.е. цвета и запахи, или боль и удовольствие. Эти чувства формируют относительно стабильный и однозначный опыт. Даже если нейронная сеть может распознать объект автоматически, это не может соответствовать однозначному опыту [2]; целостный аспект сознания [3] вызывает глобальный организационный процесс. Например, мы можем локализовать паттерны памяти, кодирующие объекты, которые мы воспринимаем, внутри больших, расплывчатых областей мозга, но мы не можем локализовать опыт осознания этих объектов. Наши переживания, конечно, имеют отношение к паттернам, кодирующим эти объекты, но это также и "нечто большее" и пока ещЈ неизвестно что, охватывающее индивидуальную и коллективную ментальную жизнь в еЈ природном окружении.

 Квантовые системы могут объяснить это "нечто большее", создавая то, что может быть описано, как объединенное "море" процессов, в котором тонут конкретные объекты, так же как наши ощущения входят в сознание. Они формировали бы фон низкого уровня, который является общим для всех материальных процессов и может также включать тонкие неопознанные информационные процессы.

 Однако, сознание не объясняется квантовыми системами в одиночку, также как не объясняется в одиночку нейронными сетями. То, что нам требуется - это, возможно, тонкая игра нескольких различных типов процессов (нейронного, субклеточного и квантового), каждый из которых имеет собственную иерархическую организацию информации [4].

 Математические аналогии между НС и квантовыми системами

 Для обработки информации необходима целая система, а не составляющие еЈ части, и в этом отношении наше знание нейро-сетевой обработки на макроуровне может оказаться полезным в поиске разумоподобных систем на более тонких квантовых уровнях.

 Математическое и компьютерное моделирование нейронных сетей позволило начать исследование динамики сложных систем, которые могут лежать в основе сознания. Например:

Сравнение математического формализма ассоциативных (или аттракторных) нейронных сетей, с одной стороны, и квантовой теории, с другой, выявляет значительное подобие в структуре базисных уравнений [6]. В математических терминах динамика сложных систем квантового мира очень подобна коллективным динамическим процессам в нейронах, связанных синапсами. Таким образом, взаимодействия внутри нейронных и квантовых сетей подчиняются подобным общим законам. Различия имеются только во внутренней структуре нейронов и квантовых частиц.

 Целостность квантовых систем

 Квантовые системы имеют более целостную природу [7], чем нейронные сети; они действуют, как неделимое целое (экспериментальное подтверждение см. в [8]). В то время как они сохраняют способность нейронных сетей к обработке информации, они могут также объединять паттерны. Квантовое единство более глубоко, чем единство виртуального аттрактора, появляющегося во всех сложных системах, и глубже, чем когерентность нейронных колебаний(b) . Это не просто другая категория, а сплав частиц (конденсат Бозе-Эйнштейна).

 Человек не воспринимает ни сетевых компонентов, ни их обмена сигналами. Он воспринимает объекты, представленные аттракторами в многоуровневых сетях мозга, как реальные объекты, которые неотделимы от объединЈнного сознанием образа. Характерная особенность квантового мира в том, что частицы не только соединены, но и "сплавлены". Таким образом, понимание взаимодействия квантовых частиц со всеохватывающим целым может помочь нам понять, как восприятие связывается воедино.

 Если мы желаем, мы можем шагнуть дальше. Требование существования мистического, медитативного и парапсихологического опыта предполагает, что сознание нельзя ограничивать нейронами мозга. Сознающие умы должны быть слабо связаны в коллективное сознание интуитивной (не когнитивной) природы внутри квантового мира [2], который вызывает все физические процессы, включая материальные объекты классической физики [9].

 Вопрос масштаба наблюдения

 Вопрос не в том, адекватными ли квантовые системы исследованиям сознания, а до какой степени они соответствуют сознанию. Разделение на квантовые и сложные классические системы искусственно и прежде всего вопрос масштаба наблюдения, а не функции. Коллективные процессы в обеих этих системах описываются сходными уравнениями динамики, когерентных колебательных явлений, принципов неопределенности, процессов извлечения паттерна (выборка нейронного паттерна или коллапс волновой функции [10]) и т.д.

 Почему для обработки информации нужна фрактало-подобная многоуровневая структура мозга?

 Для сознания может быть необходимо, чтобы квантовые системы переключались и организовывались нейронными сетями, которые управляют кодирование и декодированием информации макроскопического окружения.

 Поскольку "социология" всей нейронной сети, а не "анатомия" еЈ частей осуществляет обработку информации, принципы управления нейронной сетью могут быть применены к фрактало-подобной(c) биофизической сети мозга. (Мы говорим о фрактало-подобной структуре мозга по причине подобной коллективной динамики, которая может быть обнаружена на различных уровнях). Имеется несколько биофизических сетей, являющихся потенциальными кандидатами для обработки информации способом, свойственным нейронным сетям (дендритные сети, молекулярные сети микротрубок, фотонные и другие квантовые сети [11,12]). Критический вопрос, который здесь возникает: Каково разделение труда между этими сетями, существующими в разных масштабах [13]? Почему мозг нуждается в таком большом числе уровней? Возможный ответ: Познание - это процесс кодирования - декодирования, который наиболее эффективно выполняется сложной многоуровневой системой. Поскольку эта система последовательно развивалась многие десятки тысяч лет, она может быть частично избыточной со структурными повторениями и дублированием.

Фундамент сознания: многоуровневое сотрудничество между нейронными и квантовыми процессами?

 Довольно простую иллюстрацию сотрудничества между нейронными и квантовыми процессами дает сознательное (не когнитивное) визуальное восприятие, которое лучше всего описывается квантовой голографической(d) моделью [14]. Математические принципы этой модели подобны интерференции в квантовых и нейронных сетях. Динамическая оптическая (электромагнитная квантовая) сеть между объектом и глазами включает в себя информационные потоки. Иерархическая нейронная сеть мозга позади глаз "механически" воспринимает образ объекта, предложенный фотонной сетью (светом), но не может создать восприятие объекта, локализованное во внешнем окружении. Только в сотрудничестве с квантово-оптической (т.е. фотонной) сетью в визуальном поле, сеть мозга проецирует виртуальный образ обратно к оригинальному положению объекта. Таким образом, если нейронные сети - макроскопическая точная копия квантовой обрабатывающей структуры, они могут быть интерфейсом между макромиром человеческого окружения (и действиями человека) и микромиром его нелокального сознания - сознания, базирующегося на квантовых процессах. Вот почему для объяснения природы сознания нужна нейроквантовая модель [6,15].

 В итоге, нейронные сети уже могут более или менее объяснить природу микросознания. Отсюда мы можем переходить к более высокоуровневым символическим или концептуальным и семантическим сетям [5], которые уже являются не физиологическими (hardware), а виртуальными (software). С помощью квантовых сетей [12] мы можем пойти дальше и отследить тонкую обработку информации и связывание воедино восприятия, а также объяснить некоторые редкие нелокальные эффекты сознания, такие как внешние виртуальные проекции в видении или межсубъектные экстрасенсорные явления. Кроме того, поскольку самовосприятие является результатом самовзаимодействия сетевой структуры, т.е. взаимодействием между еЈ базовыми элементами, нейронные и квантовые сети могут объяснить фоновые процессы самосознания и эго. Однако качественный опыт, чувства не могут быть рассмотрены просто как результат динамики сложных систем [2]. Мы не знаем, почему мы воспринимаем цвет зеленым, мы просто чувствуем - "это зеленый". Мы не можем также объяснить, что именно делает кто-либо, когда он ощущает себя. И ещЈ не возможно проверить научно, что приятно кому-либо!

Замечания

(a) Нейронные аттракторы - это особые виртуальные структуры, появляющиеся из коллективных состояний нейронной активности, так называемых нейронных паттернов. Обычно специфический нейронный паттерн формируется сетью как ответ на специфический внешний стимул. Поскольку этот паттерн коррелирует с окружающим состоянием, он более стабилен, чем другие возможные нейронные конфигурации и, таким образом, действует как аттрактор, то есть другие возможные конфигурации постепенно трансформируются в паттерно-качественный аттрактор.

(b) Когерентные колебания - это колебания с одинаковой фазой (то есть "в ритме"). Если колебания двух нейронных или квантовых сообществ, кодирующие два воспринимаемых объекта, когерентны, это показывает, что эти объекты имеют какие-то общие качества. Когерентные колебания связывают таким образом визуальное, слуховое и другие восприятия из разных областей мозга в категории более высокого порядка.

(c) Фрактальные структуры - это структуры, сохраняющие самоподобие при изменении масштаба.

(d) Голография - это оптическая процедура сохранения и восстановления реальных и виртуальных изображений объектов на некотором носителе.

References

  1. Arbib M. (Ed.) The handbook of brain theory and neural networks. MIT Press, Cambridge (MA), 1995.
  2. Hameroff SR, Kaszniak AW, Scott AC (Eds.) Toward a science of consciousness I. MIT Press, Cambridge (MA), 1996.
  3. Kafatos M, Nadeau R. The conscious universe. Springer, New York, 1990.
  4. Jibu M, Yasue K. Quantum brain dynamics and consciousness. John Benjamins, Amsterdam / Philadelphia, 1995.
  5. McClelland JL, Rumelhart DE, PDP Group. Parallel distributed processing. MIT Press, Cambridge (MA), 1986.
  6. Perus M. Neuro-quantum parallelism in brain-mind and computers. Informatica 20, 173, 1996.
  7. Bohm D, Hiley BJ. The undivided universe. Routledge, London, 1993.
  8. Davies PCW, Brown JR (Eds). The ghost in the atom. Cambridge Univ. Press, 1986.
  9. Bohm D. Wholeness and implicate order. Routledge & Paul Kegan, London, 1980.
  10. Penrose R. The shadows of the mind. Oxford Univ. Press, 1994.
  11. Perus M. Multi-level synergetic computation in brain. Advances in Synergetics 9 (1997) (in press).
  12. Stern A. The quantum brain. North Holland / Elsevier, Amsterdam, 1994.
  13. Pylkkanen P, Pylkko P (Eds). New directions in cognitive science. Fin. AI Soc., Lapland, 1995.
  14. Schempp W. Quantum holography. Nanobiology 2, 109, 1993.
  15. Kak SC. On quantum neural computing. Information Sci 83, 143, 1995.