homuncul

Мозг: новая метафора или почему нейроны – не главное

Мигель Николелис, известный гуру нейроинтерфейсов, вместе с математиком написал книгу. Название с вызовом: “The Relativistic Brain: How it works and why it cannot be simulated by a Turing machine”. Объем небольшой, читается за день-два. Пишу не по свежему впечатлению – дело было в июне – но вот что помнится.

Это, во-первых, попытка описать работу мозга не так, как принято. Не через доктрину нейрона. И во-вторых, обосновать, почему мозг нельзя симулировать на компьютере. За обоснование отвечает, главным образом, математик. За работу мозга – Николелис. Кроме того, это атака на проект Human Brain Project, который оценен в 1.2 млрд. евро и который и без того вызвал скандалы в научных кругах.

Я здесь оставлю вопрос о машине Тьюринга, поскольку эти споры вечны и по большей части бесплодны. Доводы pro и contra давно высказаны, и книга – на мой взгляд – не прибавляет в копилку новых соображений. Когда лень спорить, тема попросту закрывается вопросом: как убедиться, что модель взаправду симулирует мозг?

Насчет живого мозга книга дает куда больше пищи. Николелис предложил нетривиальную идею. Но сперва он кратко останавливается на том, что мы знаем о нейронах после многих лет исследований, в том числе его собственных (подключение животных к компьютеру через вживленные в мозг электроды).

Теперь ясно, что один и тот же нейрон может участвовать в функционально разных клеточных ансамблях, причем одновременно. И обратно, одну и ту же задачу в разное время могут обеспечивать разные сочетания клеток. Есть подозрение, что комбинации вообще никогда в точности не повторяются. Далее, от внутреннего состояния мозга зависит то, как он ответит на стимул. Реакция определяется не столько характером воздействия, сколько контекстом ситуации, т.н. «внутренней точкой зрения» мозга.

Мозг непрерывно перестраивается, причем не только электрически, но и анатомически. Николелис сравнивает это с оркестром, где инструменты меняют свою форму под воздействием той музыки, что они вместе играют. Он подчеркивает, что этот аспект – brain dynamics – от милисекунд до часов и дней (пластичность) почти не представлен в теориях. Но мозг – крайне рекурсивная система, и это важно учитывать.

А главное, что полностью игнорируется в моделях – это электрические поля. Изучают и моделируют хождение импульсов между нейронами, а поля считают сопутствующим шумом. В лучшем случае их используют как ‘эхо’ нейронной активности при снятии ЭЭГ (как приток крови служит индикатором в фМРТ). Николелис утверждает: мозг – это аналого-цифровая машина, где цифровой компонент представлен спайками, а аналоговый – переплетением э/м полей.
[Нажмите для пояснения к картинке]
(A) Distributed groups of neurons produce electrical signals which are transmitted through a vast network of neural fibers, collectively known as the white matter. This defines the digital component. As these electrical signals flow through the white matter, it generates a complex manifold of neuronal electromagnetic field (NEMF), which defines the analog component. The NEMF then influences, by induction, the behavioral of the pools of neurons that gave rise to it. The same concept is showed in (B) using an electrical circuit equivalent, where groups of neurons work as batteries and a coil generates the NEMF that acts upon the original groups of neurons. In (C) a block diagram represents the dynamic and recursive nature by showing that once groups of neurons (digital component) generate an NEMF (analog component), the latter will influence the same group of neurons at a different time epoch, which defines a distinct internal brain state. The neurons, on their turn, generate a new NEMF, allowing the recursive process to continue.

И далее – гипотеза: поля образуют субстрат для ментального пространства (mental space). Они континуально связывают весь мозг, обеспечивая целостность восприятия. Здесь нет последовательного прохождения сигнала по цепочке – есть единое состояние; оно и порождает нелокальные феномены вроде ощущения «Я». В русле этой логики некоторые виды психических переживаний (сны, иллюзии, галлюцинации и т.п.), а также нервные расстройства представимы как искривления ментального пространства. Авторы отмечают, что геометрия ‘mental space’ скорее риманова, нежели эвклидова.

В отдельном разделе они пишут, что мысль про поля не нова, и ссылаются на предыдущие попытки с этой идеей работать. Ближе всего к ним Conscious Electromagnetic (CEMI) Field Theory (McFadden). Новое – это представление о пространственно-временном континууме как «внутренней точки зрения» мозга.

Всю книгу излагать не буду. Кому интересно, можно скачать здесь. Ценное в ней, на мой взгляд, это попытка включить в научное рассмотрение ‘аналоговый’ аспект работы мозга (помимо диффузии). Это неизбежно придется делать, поскольку целостность психических процессов все никак не поддается редукции к возбуждению отдельных нейронов. Авторы настаивают, что мозг надо рассматривать как интегрированную систему, которая обрабатывает информацию как единое целое, где нет разделения на "софт" и "хард", на "память" и "процессинг". Стоит добавить, что:

1. Поля реально могут влиять на активность нейронов.
2. От доктрины нейрона уже начали отказываться (теперь функциональный элемент нервной системы – сеть).

Upd. The Journal of Neuroscience: передача импульса в мозге может идти за счет слабых электрических полей [...]

Recent Posts from This Journal

аналоговый мозг дает более теплый, сочный разум.
А эти ваши цифровые подделки имеют холодный оттенок. И чувствуется легкий дребезг в мыслях. Для дебилов сойдет.
опять какая-то фигня про "бесконечный потенциал мозга, а мы его используем только на 10%" :)
хе-хе. Наконец-то, допетрили, что нейрон ни разу не логический элемент, ибо логика изобретение мозга, а не основа его "конструкции", а сам мозг не логическая и тем более символьная машина, а "вычислитель" по траекториям, вернее по их сети.
Правда пока не отказались от цифровой сучности, хотя очевидно, дискретно-аналоговый вычислитель не обязательно цифровой. Ну и скоро, наверное, додумаются, что соотношения ионов на сечении нейрона вполне тянет на носитель памяти, а непрерывные изменения, обеспечивают хранение копированием.
а какая разница, логическая или не логическая?
главный ведь вопрос был -- можно ли эмулировать?
а в чем проблема с эмуляцией,
в том что обратных связей больше?
так это ерунда, у нас все равно пока вычислительных мощностей не хатает
По такой рецензии это выглядит лишь как попытка срубить свою долю от общего куша на волне интереса к теме.
Атака на Human Brain Project выглядит просто бессмысленной. Это исследовательский проект, задача которого - не болтать, а сделать и посмотреть, что будет. В любом случае, что-то интересное точно будет, как почти всегда прогресс в AI двигал наше понимание работы реального мозга. Зачем это атаковать? Никто там и не оспаривает, что до реального мозга этому проекту как до Луны... Задача то в другом..
Николелис был и останется, помимо всего прочего, умелым пиарщиком)
Спасибо за книгу!
"Он подчеркивает, что этот аспект – brain dynamics – от милисекунд до часов и дней (пластичность) почти не представлен в теориях" - это как? если они действительно пытаются утверждать что-то подобное, то это жуткая натяжка и веселая спекуляция. По современным представлениям пластичность - один из элементов реализации долговременной, а осцилляторная динамика (без пластичности) - кратковременной памяти. Нету ли здесь попытки запатентовать велосипед и объявить, что это первый велосипед в мире?
Вот дословно: For starters, most of these theories do not take into account any notion of brain dynamics; from the millisecond scale, in which neural circuits operate, to the temporal scale in which brain plasticity occurs, brain dynamics has been utterly ignored for almost a full century of brain research. Thus, both the concept of time and the various manifestations of neuronal timing were never part of the classical central dogma of neuroscience, which remained dominated by static concepts such as cortical columns, maps and the never ending cataloguing of particular neuronal tuning properties.
Мозг: новая метафора или почему нейроны – не главное
Пользователь p_vlasenko сослался на вашу запись в своей записи «Мозг: новая метафора или почему нейроны – не главное» в контексте: [...] Оригинал взят у в Мозг: новая метафора или почему нейроны – не главное [...]
Мозг: новая метафора или почему нейроны – не главное
Пользователь woodmal сослался на вашу запись в своей записи «Мозг: новая метафора или почему нейроны – не главное» в контексте: [...] Оригинал взят у в Мозг: новая метафора или почему нейроны – не главное [...]
а он там в книге на раскрыл, в какой момент эволюции скопление нервных ганглиев становится скоплением магнитных полей? :)
 @ W TH "/+\6¢tgFsQdNQh Cg5g^JgʰTfut݉6Yd
Как и большинство тех, кто хотел решить загадку сознание-мозг, он смотрит на сознание "вне мозга", а не "из мозга". Вне мозга может казаться, что поля не просто эпифеномен, что они исполняют какую-то важную функцию, выступают отдельной информационной единицей. Но поскольку почти все главные вычислительные свойства мозга можно свести к спайковой последовательности и простым правилам обучения, создавая на их основании модели которые способны объяснить поведение и его нейронные корреляторы, значит возвышающейся над дискретными спайками поля это нечто больше, это субстрат ментального пространства и пр. высших когнитивных функций. Если же смотреть изнутри мозга, как делает и сам Мигель когда работает в лаборатории, встает вопрос, что именно такие поля кодируют (ментальные объекты?) и кто в мозгу читает эту информацию, т.е. влияют ли поля на нейронную активность и кодирование-декодирование информации? Интересно тогда почему высокочастотные поля в мозгу обезьян или кошек не формируют субстрат ментальных пространств как в мозгу человека? Если бы поля кодировали какую-то отличимую от спайков информацию, тогда возникало бы ряд затруднений с объяснением нейронной активности для работающих нейроученых. Напр., почему колебания полей (особенно высших частотах, от 40-60 Гц) сильно коррелируют со спайками популяции нейронов, что можно установить регистрируя синхронную нейронную активность путем STA-LFP (spike triggered averages LFP). Или, более близкая Мигелю тема, почему поля двигательных зон коры содержат меньше чем или почти ту же информацию о кинематике движений, что и в спайках единичной нейронной активности. Алгоритмы используемые для декодирования LFP или спайков MUA для работы BCI извлекают одну и ту же кинематическую информацию как из LFP так и спайков.
Поэтому большинство работающих нейроученных, -которые пытаются смотреть на мир через мозг а не вне мозга,- и считает что поля это всего лишь эпифеномен деятельности синхронизированной популяции нейронов, общающихся дискретными спайками, как и BOLD. Но это не отменяет того факта, что сама эта нейронная синхрония может служить субстратом для сознания, внимания и пр. Хотя и тут есть серьезные сомнения, может ли мозг кодировать и читать синхронную информацию и способна ли кора, состоящая из хаотических сетей, генерировать и надежно передавать паттерны синхронной активности, не говоря о таких сложных паттернах, как "аналоговые поля"


А кахалец-испанец Юсте возвращает к жизни ретикулярную теорию (sort of) итальянца-антикахальца Гольджи.
Даже название для новой доктрины не нужно придумывать, "ретикулярная (сеть) доктрина" подойдет.

Edited at 2015-09-09 05:01 pm (UTC)
Re: Гипотеза Мигеля привлекательна, но скорее всего оши
Спасибо за содержательный комментарий!
Часть ответов должны быть в книге. Николелис пытается показать, в чем реальные нейроны не сходятся с моделями. Вряд ли он согласится, что "главные вычислительные свойства мозга можно свести к спайковой последовательности и простым правилам обучения", впрочем, за него говорить не возьмусь. Однажды он заявил (и даже не в книге, по-моему), что чуть ли не без разницы, куда помещать электроды -- главное, чтобы была обратная связь, мозг научится. Это хорошо перекликается с опытами по сенсорному замещению Бах-у-Риты и подобными вещами. Отсюда возникает представление о динамичности, текучести функциональной организации мозга. И следом мы приходим к тому, что у нейрона нет конкретной функции.

Кодируют ли поля отличимую от спайков информацию -- ключевой вопрос. Но он, насколько могу судить, практически не изучен. Особенно если брать не корковые поля, а глубокие области. Гипотеза вполне может быть ошибочной, особенно в таком не проработанном, сыром виде (как в книге). Тут интересна сама идея смотреть поверх нейронов, причем от человека, который всю жизнь снимает их активность. За ссылки отдельное спасибо.
Что-то мне Емельянов-Ярославский вспомнился.
Который что-то подобное в конце 50-х, начале 60-х излагал.
Re: Что-то мне Емельянов-Ярославский вспомнился.
Угу, а кто-то в "Технике - молодёжи" до нейронных полей договаривался.
Любопытно.
В принципе, для проверки теории напрашивается эксперимент - поместить мозг (ну, животины какой-нибудь, для начала) в электромагнитное поле (постоянное, потом переменное в разных видах) и попытаться зафиксировать различия в его работе с наведенным полем или без. Так вот сходу - кажется, что раз электрики, работающие рядом с высоковольтными проводами (создающими вокруг себя вполне приличное поле) не страдают галлюцинациями и прочими измененными состояниями сознания, то теория не подтверждается.
Спасибо, очень интересно!
Только не видно картинку, к которой пояснения.
Оч. странно, что гугловская картинка не видна (а я вижу).
Заменил. Теперь видно?
Электрическое поле -- это ни что иное, как плотность электрического напряжения. Так что не учитывать электрическое поле при наличии электрических импульсов -- физически невозможно. Спайк движется под воздействием электрического поля, это физическая аксиома.

Так что новизну я вижу в том, что авторы предлагают учитывать не только поле в волокнах и телах нейронов, но и вокруг них в пространстве. В такой интерпретации идея выглядит вполне разумно. Лично я всегда предполагал, что электрическое поле, в частности, направляет рост новых связей между нейронами.
Naturally occurring electric currents serve as a new guidance mechanism for rostral neuronal migration
www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3596136/
Мозг: новая метафора или почему нейроны – не главное
Пользователь naomi_jer сослался на вашу запись в своей записи «Мозг: новая метафора или почему нейроны – не главное» в контексте: [...] Оригинал взят у в Мозг: новая метафора или почему нейроны – не главное [...]
По первому впечатлению, очередной бред в духе Пенроуза. Во всяком случае, пока не будет предложено конкретного механизма преобразования "переплетения э/м полей" (которые, между прочим, вряд ли можно удержать исключительно внутри черепной коробки) в нервные импульсы, и данный механизм не будет проверен экспериментально, чтение подобных книжек - пустая трата времени. Всё, конечно, имхо.
'Имхо' ваше очень слабое. Механизм проверен экспериментально, о чем в посте даже есть ссылка. Но в действительности, думаю, и механизм вас не интересует. Это не более чем защитная реакция.
Мозг: новая метафора или почему нейроны – не главное
Пользователь 2_x_2 сослался на вашу запись в своей записи «Мозг: новая метафора или почему нейроны – не главное» в контексте: [...] Оригинал взят у в Мозг: новая метафора или почему нейроны – не главное [...]
The Relativistic Brain (с)
Пользователь babusyatanya сослался на вашу запись в своей записи «The Relativistic Brain (с)» в контексте: [...] works and why it cannot be simulated by a Turing machine. Kios Press основные идеи: nature_wonder [...]
Феномен сознания целостный. Это я прямо сейчас вижу. Да и каждый на это сам может обратить внимание. Феномен сознания воспринимается мной как непрерывный объемный образ, в котором суперпозиция всех ощущений.

Как это может быть реализовано физически? Напрашивается мысль о квантовой суперпозиции. А других механизмов и нет, как нет и скрытых параметров.
Размышляя метафорически
Пользователь waspono сослался на вашу запись в своей записи «Размышляя метафорически» в контексте: [...] Оригинал взят у в Мозг: новая метафора или почему нейроны – не главное [...]
"поля образуют субстрат для ментального пространства"

По-моему самый занятный вопрос как раз связан с нахождением сознательных восприятий в физическом пространстве. В целом обсуждение на уровне нейрофизиологии выглядит так

фотоны - сетчатка - спайки нейронов (пожалуйста плюс поля, это ничего не меняет)

На этом пути следует, что все сознательные восприятия явялются реконструкцией мозга и таким образом необходимо вроде бы сказать, что все сознательные восприятия геометрически находятся где-то в физическом пространстве головы человека. Тем не менее, большинство нейрофизиологов останавливаются на цепочке выше и вопрос нахождения сознательных восприятий попросту игнорируют.

Некоторые из них однако делают следующий логический шаг и говорят, что да, все восприятия должны быть в физичесом объеме головы. На эту тему есть например неплохой комикс на страничках Steven Lehar: A Cartoon Epistemology.

Однако из этого следует, что весь наблюдаемый человеком трехмерный мир от линии горизонта до купола небесов находится в объеме головы. Следует отметить, что здесь речь идет не про физический мир, который находится вне человека, а про реконструкцию мозга. Но ведь то, что видит человек и есть ни что иное, как реконструкция мозга. Интересно было бы узнать, что думают по этому поводу авторы книги.
Не нужно в голове держать "...весь наблюдаемый человеком трехмерный мир от линии горизонта до купола небесов ...", чтобы выжить, интеллекту достаточно синхронизироваться с изменениями в этом мире. Механизм синхронизации строится "осознанно".
:)