КММ: модель Умезавы-Витиелло

Гипотеза Умезавы

В шестидесятых годах прошлого столетия, когда в физике живых систем наступила стагнация, Хируми Умезава, признанный специалист в квантовой теории поля, работавший в то время в Неаполе вместе с несколькими талантливыми итальянскими физиками, вдруг, почти случайно, заинтересовался проблемой человеческой памяти. Он глянул на нее непредвзятым глазом, задавшись вопросом – что могло бы в принципе объяснить ее свойства, если отвлечься от традиционных взглядов? И высказал предположение: фрагмент памяти – не что иное как результат спонтанного нарушения симметрии какой-то квантовой системы [7]. Именно это объясняет его нелокальность, то есть, мгновенно устанавливающуюся когерентность по всему мозгу, а также устойчивость воспоминаний и независимость памяти от судьбы отдельных клеток. При этом роль нейронов никто не отменял: они вступают в дело первыми – откликаясь на внешние раздражители, начинают свою «стрельбу» электрическими импульсами. Но их роль вспомогательна – своей активностью они лишь помогают другим участникам, живущим не в макро, а в микромире. Нейронные сигналы активируют не классическую, а квантовую динамику гипотетических микрообъектов, заполняющих все пространство мозга. Те, неупорядоченные изначально, переходят в состояние устойчивого порядка и поддерживают этот порядок, подобно атомам в кристаллах, обмениваясь квазичастицами, своими коллективными возмущениями. Эти частицы, они же волны, создают колебательный фон, в свою очередь воздействующий на нейроны и согласовывающий их работу. Коллективные колебания становятся своего рода «кодом», который, раз возникнув, устойчиво хранится в мозге. Он конденсируется в энергетическом минимуме, формируя неравновесный БЭК, подобный конденсату Фрелиха, описанному выше, и потом может быть реактивирован знакомым стимулом – так что мозг вновь войдет в ту же динамику, «вспомнив» запомненное раньше.

Проблема емкости памяти. Работы Витиелло

Официальная наука отнеслась к идее Умезавы пренебрежительно – в те годы очень уж странно было думать о конденсате бозонов в теплой, мокрой материи. К тому же было непонятно, что же это за гипотетические ‘агенты’, заполняющие мозг и живущие по квантовым законам. В общем, в «мажорную» научную среду гипотезу не приняли, но все же некоторое продолжение она получила. В частности, была высказана простая мысль: загадочные микрообъекты – не что иное как молекулы воды, из которых мозг состоит, как известно, процентов на девяносто [8]. Они, во-первых, достаточно малы, а во-вторых, обладают дипольным моментом, имеющим вращательную симметрию. Она-то и нарушается – говоря очень грубо, векторы-диполи выстраиваются в одном направлении, как в магнитах. Ну а после к молекулам воды добавили еще и фрагменты биомолекул и стали говорить об общей квантовой среде, «матрице» дипольных моментов, в которую погружены классические нейроны. Совместные колебания диполей представляют собой дипольные волны – опять же весьма похожие на спиновые волны в ферромагнетиках. Их кванты и есть те самые квазичастицы, бозоны Голдстоуна, поддерживающие упорядоченность диполей, в которых закодированы наши воспоминания и мысли [9].

Примерно в то же время квантовой моделью мозга вплотную занялся итальянский ученый Джузеппе Витиелло, работавший вместе с Умезавой в США и защищавший под его руководством кандидатскую диссертацию. Именно он внес решающий вклад в ее развитие. В частности, он, вместе с коллегами, нашел «посредников» между дипольными волнами (квантовыми объектами) и нейронами (крупными, макроскопическими клетками) – ими оказались микроскопические белковые нити, филаменты, создающие свою, отличную от нейронной, значительно более обширную и затейливую сеть как внутри клеток мозга, так и вне их [9, 10]. По ним распространяются возмущения электромагнитного поля, давая толчок спонтанному нарушению симметрии – то есть, упорядочению диполей, и этот порядок «ощущается» другими нитями, у других клеток, отстоящих сколь угодно далеко. Так нейроны, сами того не зная, шлют друг другу мгновенные сигналы на больших расстояниях, согласовывая свою работу. Также, было показано, что «тепловой хаос» мозга не убивает квантовые эффекты – плотность дипольных волн оказывается достаточной, чтобы противостоять тепловой энергии [9, 11]. Более того, значительная часть дипольной матрицы иссечена, пронизана теми самыми белковыми нитями, которые помогают бороться с попытками разупорядочения – будто «чувствуя», что когерентное состояние является самым выгодным. Ну а затем Витиелло решил главную проблему, мешавшую развиваться квантовой модели – проблему емкости памяти, то есть: почему новые запоминания при «записи» в мозг не стирают старые.

Суть проблемы такова: из математики следует, что разные асимметричные – то есть упорядоченные – состояния квантовой системы не могут переходить друг в друга. Сначала системе нужно вновь прийти к симметрии, к беспорядку – и лишь затем скатиться в иной энергетический минимум, закодировав что-то новое. Казалось, старый код при этом стирается – однако Витиелло доказал, что это не так. Он обратил внимание на теплообмен мозга с окружающей средой – до того мозг считали изолированной системой с постоянной энергией, что представлялось разумным: мозг очень термостатичен, его температура почти не меняется во времени. Однако, Витиелло заглянул поглубже в это «почти» и совершил прорыв: описав мозг как открытую систему, он строго показал, что запрет на переход устойчивых состояний друг в друга относится к совокупности – мозг плюс окружающая среда – а не к одному лишь мозгу. Дипольная матрица формирует разные картины колебаний, состояния памяти, независимые друг от друга, не мешающие предыдущим, живущие одновременно с ними – как бесчисленные цветные оттенки в пучке белого света. Мозг создает их, подстраиваясь под среду вокруг, которая всегда разная, и обогащается опытами, как кадрами на фотопленке. При этом общее состояние – мозг плюс внешний мир – находится вблизи одного и того же энергетического минимума, чуть приподнимаясь над ним и снова в него сваливаясь – это и принимали за пресловутую термостатичность. Но ‘чуть’ оказалось очень важным, в нем кроется глубочайший смысл [12].

Таким образом была решена проблема емкости памяти. Разные квантовые конденсаты – различные виды дипольных волн, кодирующие множество воспоминаний – сосуществуют и ждут своего часа, чтобы, по сигналу определенных нейронных групп, возбудиться, войдя в резонанс, стать доминирующими на краткий миг – так мелькает мимолетная память или мысль – или, может, надолго – если стимул, вызвавший их к активной жизни, достаточно настойчив. Потом их сменяют другие, потом еще другие, попутно возникают новые – мозг накапливает опыты и использует уже накопленные, и все они не мешают друг другу. А подспорье этому – постоянно меняющийся мир вокруг, который мозг чувствует и через рецепторы, и через средства теплообмена – омывающую его жидкость, капилляры и кровеносные сосуды. Он чувствует его всегда, каждое мгновение, пока он жив; суть существования мозга и вообще наших тел, как и любой живой материи – не что иное, как взаимодействие с окружающей средой!

Добавим тут же, что, при переходе от идеального, бескрайнего и холодного «мозгового пространства», изолированного от информационного шума, к реальному случаю – мозгу конечных размеров, живущему в определенном тепловом режиме и подверженному бомбардировке сигналами от множества рецепторов, жизнь квантового конденсата, кодирующего память, становится конечна. Голдстоунские бозоны обретают массу, пусть небольшую, и, даже находясь в своем базовом состоянии, расходуют энергию, пусть немного. В результате мозг не только запоминает, но и забывает: одни фрагменты памяти улетучиваются быстро, стертые флуктуациями; другие живут долго и вспоминаются легко, а зависит это от степени тренированности мозга по отношению к тем или иным задачам, ситуациям, объектам – то есть, от структуры синаптических связей, обеспечивающих более или менее верные начальные условия для квантовых процессов [13, 14]. Тут как раз и пересекаются «квантовая» и официальная («нейронно-энграммная») парадигмы – не противореча, а дополняя друг друга (подробнее смотрите здесь).