Чтобы проанализировать некоторые идеи, возникшие в рамках релятивистской теории мозга, мой аспирант в Университете Дьюка Вивек Субраманян создал модель рекуррентной аналого-цифровой вычислительной системы, в которой отдельные нейроны возбуждаются с образованием потенциалов действия цифрового рода, что может приводить к возникновению электромагнитных полей, которые в результате индукции вызывают следующий цикл возбуждения тех же нейронов. После нескольких циклов работы системы Вивек обнаружил, что при возбуждении очень небольшого набора нейронов с образованием единственного потенциала действия вся сеть распределенных в пространстве нейронов быстро эволюционирует и достигает состояния точной синхронизации, так что большинство образующих ее нейронов возбуждаются одновременно, создавая идеальные ритмические колебания. Такая точная синхронизация отдельных нейронов также сказывается на электромагнитных полях, возникающих при совместном действии нейронов этого ансамбля. Хотя эта простая модель не является окончательным доказательством, она подтверждает, что рекуррентные аналого-цифровые взаимодействия нейронов могут быть задействованы в механизме масштабной синхронизации, необходимой для связывания многих кортикальных и субкортикальных структур в единую вычислительную единицу. Кроме того, это исследование открывает путь к созданию на основе мозга аналого-цифровых вычислительных систем, которые в будущем могут оказаться более эффективными, чем современные цифровые алгоритмы машинного обучения, используемые для создания искусственного интеллекта в попытках имитировать поведение человека. Я считаю, что это возможно, поскольку рекурсивные аналого-цифровые вычислительные системы смогут решать задачи, которые считаются недостижимыми для современных цифровых компьютеров.
Получив эти первые результаты, Вивек, еще один сотрудник нашей лаборатории Гари Лехью и я попытались создать физическую версию этой компьютерной модели. Мы решили эту задачу путем прямого подсоединения электрических сигналов, производимых цифровой моделью широкой сети нейронов, к трехмерному диффузно-тензорному изображению группы спиралей белого вещества человеческого мозга, как показано на рисунке 5.2. В этой физической модели при прохождении электрического заряда по каждой спирали создается электромагнитное поле. В свою очередь, создаваемые биологическими спиралями электромагнитные поля индуцируют возбуждение цифровых нейронов системы. Такая физическая интерпретация «нейромагнитного реактора» описывает гибридный аналого-цифровой компьютер; подобные эксперименты позволяют наблюдать и подробно анализировать динамические операции, которые, как мы думаем, происходят внутри нашего мозга.
Рис. 5.2. A: Аналоговый компонент аналого-цифрового компьютера, созданного по подобию мозговых сетей, таких как представленная на рисунке B трехмерная модель организации пучков белого вещества коры, связанных с регуляцией моторной функции, которые ранее были обнаружены с помощью диффузионно-тензорного метода (рисунок Кустодио Роса).
Примечательно, что пока я описывал наш новый гибридный аналого-цифровой компьютер, созданный исходя из концепции мозгосетей, группа исследователей из Национального института технологических стандартов в Боулдере, в Колорадо (США), сообщила о своем опыте использования магнитных полей для создания нового измерения в кодировании информации для разработки «нейроморфного» устройства – машины для более точной имитации действий человеческого мозга. Их и наши находки показывают, что электромагнитные поля нейронов могут в ближайшем будущем стать активной темой исследований в области нейроморфных вычислений.
Один важный вопрос, возникающий в связи с этой аналого-цифровой моделью работы мозга, заключается в том, не влияют ли окружающие нас магнитные поля, такие как магнитное поле Земли, на активность нашего мозга. Этот вопрос вполне уместен, поскольку ученые обнаружили, что разные организмы способны чувствовать магнитное поле Земли, например некоторые бактерии, такие как Magnetococcus marinus, насекомые, нематоды, моллюски, морские угри, птицы и даже млекопитающие, включая лесных мышей, замбийских кротов-крыс, больших коричневых летучих мышей и рыжих лисиц. Для лис характерно удивительное охотничье поведение: они отслеживают мелких грызунов, передвигающихся по подземным ходам, в какой-то момент подпрыгивают вверх, а затем бросаются вниз головой в землю и хватают добычу. И эти прыжки осуществляются вдоль северо-восточного направления.
Способность многих видов животных ощущать магнитные поля также означает, что любые серьезные изменения магнитного поля Земли, такие как инверсии магнитного поля, происходившие на нашей планете в прошлом, могут повергнуть жизнь этих видов в хаос, в значительной степени влияя на их способность питаться и ориентироваться в пространстве. Интересным следствием этой идеи является гипотеза, согласно которой некоторые незначительные временные нарушения когнитивной функции, пережитые космонавтами, высадившимися на Луне при выполнении программы «Аполлон», возможно, были вызваны неврологическим эффектом, связанным с выходом из-под влияния магнитного поля Земли, окружавшего их с момента зачатия. Однако это еще нужно подтвердить.
В этом контексте, если считать, что нормальное функционирование человеческого мозга основано на крохотных нейронных электромагнитных полях, легко предположить, что создаваемые людьми магнитные поля, такие как поля МРТ, могут оказывать значительное воздействие на нашу ментальную активность. Вообще говоря, создаваемые этими устройствами магнитные поля в триллионы раз сильнее полей нашего мозга.
Одна из причин, почему ни магнитное поле Земли, ни большинство полей МРТ не влияют на наш мозг, заключается в том, что оба типа полей являются статическими и поэтому не могут заставить нейроны возбуждаться и создавать электрические импульсы. А переменные градиентные магнитные поля МРТ изменяются с гораздо более высокой частотой, чем низкочастотные (0–100 Гц) электрические сигналы, распространяющиеся в мозге. Иными словами, человеческий мозг в основном нечувствителен к большинству магнитных полей, существующих в природе или созданных искусственным путем. Тем не менее под влиянием полей, создаваемых аппаратами для магнитно-резонансной томографии, некоторые пациенты сообщают о незначительных неврологических эффектах, таких как головокружение или металлический привкус во рту. Если подвергнуть людей воздействию гораздо более сильных полей, чем те, что создаются такими аппаратами, возможно, эти эффекты усилятся и проявятся какие-то другие.
Новые доказательства влияния нейромагнитных полей на функционирование мозга появились благодаря созданию технологии транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС). Если на голове пациента закрепить проводящую металлическую катушку специфической формы и пропустить через нее электрический ток, возникающие низкочастотные магнитные поля могут как индуцировать возбуждение нейронов коры, так и ингибировать его. И поэтому применение транскраниальной магнитной стимуляции в разных участках мозга способно вызывать длинный и все растущий список нейрофизиологических и поведенческих реакций.
Кроме синхронизации на уровне сетей нейронов, нейронные магнитные поля оказывают еще одно действие, о котором до последнего времени почти ничего не было известно. Рисунок 5.3 показывает, что мозг можно рассматривать в качестве многослойной структуры, работающей путем тесной интеграции многих уровней обработки информации – от атомного/квантового уровня до уровня молекул, генов, химических реакций, клеточных органелл, клеток и сетей нейронов. Для правильной работы мозг должен обеспечивать идеальную синхронность информационных потоков между этими уровнями, связанными множественными петлями с упреждающей и обратной связью. Каждый уровень – это открытая система, и взаимодействия между ними, скорее всего, являются нелинейными и даже попросту не поддающимися вычислению, что означает, что они не могут быть опосредованы одними лишь алгоритмическими и (или) цифровыми процессами. Интеграция всех этих уровней обработки информации в единую операционную единицу достигается только через аналоговый сигнал, способный вызывать эффект на всех уровнях разрешения одновременно. Электромагнитные поля соответствуют этому строгому требованию. Таким образом, электромагнитные сигналы нейронов обеспечивают работу мозга в качестве интегральной вычислительной системы, опосредуя функцию и обмен информацией между всеми уровнями ее обработки – от квантового уровня до сетей нейронов.
