Как работает человеческий мозг: информационная нейрофизиология вытесняет традиционную нейронную электрофизиологию
- 1. информационная нейрофизиология вытесняет традиционную нейронную электрофизиологию. (И вот, что из этого получается). Эммануил (Амик) Диамант Смена вех в нашем понимании того, как работает человеческий мозг: Выступление в Тель Авивском Доме учёных, 28.08.24 г
- 2. Обилие незнакомых медицинских терминов не должно никого пугать или смущать – сегодня есть масса электронных справочников и энциклопедий, которые легко доступны и легко восполнят все пробелы вашего образовании. Нейрофизиология – это наука о том, как устроен и как работает человеческий мозг. Электрофизиология — это наука о электрических свойствах биологических тканей и клеток. В нашем случае: нейронная электрофизиология (термин из Википедии) – это наука о электрических свойствах нервных клеток (нейронов). Информационная нейрофизиология – это попытка рассматривать работу мозга как процесс переноса и обработки информации, которой нейроны обмениваются друг с другом.
- 3. Исторически, электрофизиология была первой, наиболее доступной и широко распространённой техникой для изучения активность нервных клеток и того, как нейроны взаимодействуют друг с другом. Электрические импульсы, которые распространяются вдоль аксона (так называемый action potential) были и по сей день остаются главным объектом изучения нейронной электрофизиологии. Так это продолжалось почти целое столетие. Но оказалось, что сегодня электрофизиология уже не может объяснить многие явления в области нейронных связей и нейронного взаимодействия.
- 4. Термин «Информационная нейрофизиология» не является чем-то особенно новым – ещё в годы тотального господства электрофизиологии считалось обычным утверждение, что электрические импульсы (action potentials) переносят между нейронами информацию. И что основная работа мозга – это управление передвижением и обработкой информации в мозгу. “Brain is processing information” – это утверждение существует и общепринято уже много-много лет. Чем же, всё-таки, перенос информации в электрофизиологии отличается от обработки информации в информационной нейрофизиологии?
- 5. Ответить на этот вопрос невозможно, без чёткого определения «Что такое информация?» Но «Что такое информация» никто никогда не знал и не знает! Шеннон, Колмогоров, Хаитин, и многие другие отцы-основатели никогда не определяли, что такое «Информация». Они были заняты изучением и применением «меры информации». Использование «меры информации» для усовершенствования систем электронной связи принесло им заслуженный успех и славу. Но что такое «Информация» они сами никогда не определяли. Оказывается, что такое положение вещей отнюдь не ново. Классическая физика, например, существует без определения своих базовых понятий «расстояние», «масса», «энергия», «время». (Которые принимаются «аксиоматически»). Попробуйте объяснить себе (или кому-нибудь другому), что такое «время». Но человечество изобрело понятие «меры времени» (часы, минуты, века), которыми оно успешно пользуется, не задумываясь над тем, что понятия времени для него не существует. Точно так же, легко и с готовностью человечество приняло понятие «меры информации», и успешно воспользовалось им для развития средств современной коммуникации (в основном, средств электронной коммуникации).
- 6. Но к биологическим системам связи понятие «меры информации» оказалось не приложимым. И определение понятия «Информация» в биологических системах стало проблемой, которую наука пока решить не может. Я не буду перечислять здесь все известные мне (и вам) попытки определения понятия информации, которое было бы приложимо к биологическим системам. Я изложу здесь своё определение понятия информации. Которое (пока) никем не принято и не признано. Но какие-то сдвиги в этом вопросе уже происходят, и я расскажу вам об этом к концу своего доклада.
- 7. Мое определение информации звучит так: «Информация — это лингвистическое описание структур, видимых в определённом массиве данных». Чтобы сделать это определение более понятным, я предлагаю рассмотреть цифровую фотографию как образец заданного набора данных. Цифровое изображение представляет собой двумерный набор точек, называемых элементами изображения или пикселями (picture elements). В изображении пиксели распределены не случайным образом, а в силу сходства их физических параметров, они естественным образом группируются в какие-то простейшие структуры (кластеры или группы).
- 8. Я предлагаю называть эти кластеры первичными или физическими структурами данных. В глазах наблюдателя эти первичные структуры данных реорганизуются в более крупные и сложные структуры, которые я предлагаю называть вторичными структурами данных. Эти вторичные структуры отражают взгляд наблюдателя на группировку первичных структур, и поэтому их можно назвать значимыми или семантическими структурами данных.
- 9. В то время как формирование первичных (физических) структур данных определяется объективными (физическими) свойствами данных, последующее формирование вторичных (семантических) структур является субъективным процессом, управляемым условностями и привычками наблюдателя. Как было сказано, описание структур, наблюдаемых в наборе данных, должно называться «Информацией». В связи с этим, необходимо различать два вида информации – физическую информацию и семантическую информацию. Обе они являются языковыми описаниями; однако физическая информация может быть описана с помощью самых разных языков (напомним, что математика — это тоже язык), а семантическая информация может быть описана только с помощью естественного языка наблюдателя. (Подробности на эту тему вы можете найти в моих старых
- 10. “IF – THEN” Principle – 1 В рамках своей профессиональной активности мне выпало быть знакомым с Теренсом Деконом (Профессор, Беркли Университет, Калифорния). От своих собеседников Теренс всегда требовал применения (приложения) “IF – THEN” принципа. Т.е., если ты заявляешь что-то, пожалуйста, немедленно изложи, что из этого должно следовать. Никто, или, скажем, мало кто, из участников обсуждений, в которых мне случилось участвовать, когда-нибудь следовал этому принципу. Но мне это нравилось, и я попытаюсь и в этот раз приложить его к своим рассуждениям.
- 11. Итак, первым следствием вышеприведенного определения информации является то, что информационные описания (то, что мы обычно и называем информацией) всегда представляют собой набор слов, фрагменты текста, нарратива. В связи с этим следует сделать важное замечание – в биологических системах эти тексты записываются буквами нуклеотидов и знаками аминокислот. Это превращает информацию в физическую сущность, в «вещь», со своим весом, длиной и другими физическими параметрами. Для целей нашего обсуждения это чрезвычайно важное замечание.
- 12. Несмотря на свою дискретную структуру, нейроны не являются отдельными функциональными единицами – успешная обработка информации требует тесного сотрудничества и взаимодействия многих соучастников процесса. По этой причине нейроны связаны в сеть, в которой они общаются друг с другом, передавая, обменивая, изменяя – одним словом – совместно обрабатывая информацию. Переход информации между взаимосвязанными (на разных уровнях организации) нейронами получил даже специальное название – “Neural Information Flow” («Нейронный поток информации») и стал предметом пристального изучения и исследования. Таким образом, нейроны можно рассматривать как цепочку, в которой два последовательных нейрона соединены посредством синаптического контакта. Каждый отдельный нейрон состоит из трех составляющих его частей: дендритов (входная часть), тела
- 13. Понимание функциональной роли этих нейронных частей и того, как через них проходит информация, было основной целью нейронауки на протяжении большей части прошлого века. Однако по некоторым причинам среди трех частей, обеспечивающих поток информации через нейрон, аксонная часть была наиболее полно исследована и изучена. Ей посвящены теории распространения потенциалов действия аксонов (Action Potential propagation) — тому, как последовательности потенциалов действия кодируют и передают информацию в нейронной сети головного мозга.
- 14. “IF – THEN” Principle – 2 Общеринятая сегодня концепция нейронного информационного потока предполагает разные формы представления информации на разных участках цепи нейронного информационного потока. Во входной части (дендриты) преобладают химические нейротрансмиттеры и потоки электрических зарядов (ионов). Накопление электрического потенциала и эмиссия следующего потенциала действия характерны для соматической части. Распространение потенциала действия в аксоне, а затем снова преобразование потенциала действия в химические нейротрансмиттеры (на терминальном конце аксона) перед выбросом в синаптическую щель между нейронами – все это множественные формы представления информации
- 15. Мне это кажется мало правдоподобным. Природа консервативна, трудно поверить, что на разных этапах одной единицы обработки информации (дендритный вход – сома – аксон –терминал аксона – синаптическая щель) одна часть пути реализуется как молекулярный пакет, а другая часть работает совершенно иначе, как, например, пакет аксонных спайков, олицетворяющих перенос информации в аксоне. Мне это кажется совершенно невероятным. Предлагаемая мною мысль о том, что информация всегда (на всех участках информационного потока) предстает собой материальные фрагменты текста (записанного буквами из нуклеотидов и аминокислот), и что именно в этом виде она подвергается изменениям (обрабатывается) на всех этапах продвижения в информационном потоке, – эта мысль кажется мне гораздо более разумным и правдоподобным объяснением того, что происходит с информацией в информационном потоке.
- 16. Именно тексты и фрагменты текстов являются объектами обработки (обработки информации), которой занят наш мозг. Обработка информации, при этом, осуществляется иерархически, и, основная масса информации, которой занят мозг, – это семантическая информация. В процессе этой обработки, информация более низкого уровня передается на следующий более высокий уровень обработки, где она становится частью структуры более высокой сложности. Это преобразование происходит по субъективным правилам, зафиксированным в прототипной (референтной) структуре, которая называется памятью наблюдателя, и которая хранится в теле нейрона. “IF – THEN” Principle – 3
- 17. “IF – THEN” Principle – 4 Всё, что я вам только что изложил, никого не убеждает и не интересует. Пресса сообщает, что известный предприниматель Илон Маск и организованная им фирма NeuroLink успешно закончили испытания импланта, который сможет передавать в мозг электрические импульсы, с помощью которых можно будет управлять работой мозга. (Как это и предполагается принципами нейронной электрофизиологии). Моих статей они не читали, об информационной нейрофизиологии им ничего не известно. И, в принципе, их это и не интересует. Но мы имеем своё понимание того, что такое информация и как она обрабатывается в нашем мозгу. Мы уже знаем, что, обрабатывая информацию, мозг создаёт из структур низкого уровня сложности структуры более высокого уровня сложности. При этом, обработке подвергаются только те структуры, для которых в системе имеется уже опробованный прототип. А что происходит со структурами, для которых в системе нет близкого прототипа? Они просто отбрасываются. (Происходит, так называемая, фильтрация сигнала на входе нейрона).
- 18. Структуры, попавшие в обработку, тоже не остаются неизменными, некоторая часть из них тоже выпадают из процесса, тоже «отфильтровывается» или видоизменяются. Так на месте обработки образуются и начинают накапливаться производственные отходы, производственный мусор, образование которого сопровождает любой процесс обработки материала в любом, существующем в этом мире, процессе обработки. Нужно особенно подчеркнуть – это естественный процесс, который присутствует при любой обработке – в технике, в строительстве, в кулинарии, в биологии, вообще, и в нейронной обработке информации, в частности.
- 19. Чтобы поддерживать нормальное протекание процесса, производственный мусор должен постоянно выводиться из системы, убираться или утилизироваться. Природа предусмотрительно создала механизмы отведения и уборки производственного мусора при обработке информации в нейроне. Для этого у природы имеются лизосомные механизмы, аутофаги и механизмы иммунной защиты, которые тоже борются с чужеродными элементами в организме. Всё это – естественные (врождённые) механизмы генетического уровня.
- 20. А что происходит с системой, когда с течением жизни эти генетические механизмы претерпевают естественные мутации? Нервные клетки не обновляются, мутации накапливаются, и в какой-то момент начинаются сбои в нормальной работе системы – мусор не выводится из системы, и постепенно, накапливающийся в системе мусор, начинает препятствовать её нормальному функционированию. Так как, даже в рамках одного нейрона существуют несколько участков обработки информации, накопление мусора может происходить (и происходит) на каждом из трёх участков нейрона – в дендритах, в соме, в выходном аксоне. Сопровождающая это процесс дисфункция нейрона может принимать различные формы.
- 21. К тому же, функциональное предназначение нейронов в различных областях мозга является различным. Поэтому одна и та же причина дисфункции нейрона («заболачивание» нейрона неубранным мусором) принимает различные формы того, что мы называем деменцией – Альцгеймер (80% всех случаев), Паркинсон, Склероз, Лобная деменция, болезнь Хантингтона, и еще 10 видов деменции (из 14-ти), которые медицина различает сегодня.
- 22. Альцгеймер является не единственным примером влияния неубранного мусора на нормальную работу многих других частей человеческого тела – холестерол, ожирение, диабет, рак, гормональные и эндокринологические расстройства. Во всех этих случаях медицина сегодня борется с конечным результатом, с видимыми симптомами расстройства, а не с его первопричиной – нарушение естественных, нормальных процессов обработки, связанных с нарушениями процессов уборки и выведения мусора из системы. Ещё раз – удаление и выведение производственного мусора из системы есть нормальный естественный процесс, который реализуется врождёнными генетическими механизмами. Мутации и последующие сбои этих генетических механизмов приводят к дисфункциям системы. Удаление или исправление этих мутаций с помощью генной инженерии (CRISP-R intervention) является наиболее правильным подходом к терапии многих современных болезней. «А на прощанье я скажу…»
- 23. The End