Мозг может использовать аналоговые вычисления для создания осознания и опыта

Фото из открытых источников

Для создания осознанного опыта мозгу необходимо координировать активность миллиардов нейронов в реальном времени, и тем не менее он каким-то образом умудряется делать это, используя количество электроэнергии, необходимое для питания слабой лампочки. 

Согласно новой теории, эта удивительная логистическая операция контролируется распространяющимися мозговыми волнами, которые координируют огромное количество синаптических связей способом, напоминающим аналоговые вычисления. Результаты исследования были опубликованы в журнале Journal of Neuroscience.

В новой статье группа исследователей, стоящая за этой гипотезой, начинает с того, что подчеркивает хорошо известный принцип «смешанной избирательности», согласно которому каждый нейрон способен модулировать свой паттерн активности в соответствии с конкретными сигналами и контекстами, чтобы участвовать в нескольких мыслительных процессах, а не только выполнять одну фиксированную задачу. 

«Эти связи описывают детальное содержание мыслей, внешний мир, детали двигательных действий, а также хранят все воспоминания в вашем мозге», — говорит автор исследования Эрл Миллер из Массачусетского технологического института. «Но для этого нужно что-то организовать. Это как иметь бесчисленное количество овец, и нужно как-то собрать их всех вместе».

Традиционно нейробиологи исходили из предположения, что мозг постоянно корректирует активность каждого человека, чтобы генерировать постоянный прилив и отлив мыслей, воспоминаний и меняющегося осознания, которые определяют наше сознание. 

Однако, как отмечают Миллер и его коллеги, такая модель невероятно сложна и крайне неэффективна.

«Это как болельщики на спортивном стадионе, которые делают мексиканскую волну», — говорит он. «Представьте, что вы попытались бы создать эту волну, воздействуя на людей по одному — это было бы невозможно. Но само воздействие волны естественным образом организует толпу, и именно это, как мы говорим, делают мозговые волны».

Таким образом, идея заключается в том, что по мере распространения мозговых волн по коре головного мозга они создают волны скоординированной нейронной активности, которые затем порождают наше сознательное восприятие. И по мере того, как эти волны взаимодействуют друг с другом, они генерируют новые волновые паттерны и, следовательно, обеспечивают постоянно меняющуюся совокупность мыслей, которые занимают нашу голову. 

«Эти новые волновые паттерны представляют собой новые состояния мозга», — объясняет Миллер.

В этом смысле процесс имитирует аналоговые вычисления, которые Миллер описывает как «математические вычисления, выполняемые путем слияния волн». Например, когда разные мозговые волны встречаются, они либо удваиваются, если их пики совпадают, либо взаимно компенсируются, когда пик сталкивается с впадиной.

В результате этого активность огромного количества нейронов мгновенно и высокоорганизованно модулируется. «Этого не могут сделать цифровые вычисления. Цифровые вычисления разбивают все на один шаг за раз», — говорит Миллер.

Обобщая эту модель, авторы исследования пишут, что, хотя содержание и структура нашего сознания определяются электрическими сигналами, излучаемыми нейронами, «вычисления в каждый конкретный момент времени могут осуществляться посредством развивающихся волновых паттернов, а не только за счет импульсов».

«Таким образом, сознание возникает, когда эти динамические волновые паттерны приводят кору головного мозга в организованное, глобально интегрированное состояние, которое естественным образом связывает и влияет на широко распространенную деятельность», — продолжают они.

Более того, весь процесс является двунаправленным и самоподдерживающимся, поскольку импульсная активность нейронов под воздействием внешних стимулов генерирует новые электрические колебания, которые затем распространяются по мозгу в виде волн. При этом они организуют импульсную активность больших групп нейронов, создавая новые волновые паттерны, которые взаимодействуют друг с другом, порождая совершенно новые состояния мозга.

«Эффективность аналоговых вычислений может объяснить, как мозг выполняет огромные объемы вычислений, потребляя при этом всего около 20 ватт, что примерно соответствует мощности тусклой лампочки», — пишут авторы исследования. «В отличие от этого, современные цифровые системы искусственного интеллекта требуют огромных затрат энергии».