blog.ddtor.com

С.Хамерофф, Р.Пенроуз.


Оркестрованная объективная редукция квантовой когерентности в микротрубочках мозга: «Orch OR» модель сознания.// Mathematics and Computer Simulation 40:453-480, 1996. (Библ. 96, 11 рис.)



S. Hameroff , R. Penrose. Orchestrated Objective Reduction of Quantum Coherence in Brain Microtubules: The "Orch OR" Model for Consciousness.// Mathematics and Computer Simulation 40:453-480, 1996; reprinted in: Toward a Science of Consciousness, S. Hameroff, A. Kaszniak, A. Scott (eds), MIT Press, Cambridge, (1996).



(Реферат статьи подготовлен Ю.П.Карпенко).



Для описания тех свойств сознания, которые трудно понять в терминах обычной нейрофизиологии: различие между состоянием мозга и сознанием, существование внутреннего опыта, - привлекается квантовая теория. Предполагается, что для описания сознания существенны явления квантовой когерентности, а также новое физическое явление «само-коллапса» квантовой волновой функции, которые могут наблюдаться в микротрубочках (далее - МТ) скелета клетки и других структурах каждого нейрона мозга и быть связанными с конформационными состояниями элементов МТ (белковых димеров - тубулинов). Далее предполагается, что макроскопическая когерентная суперпозиция квантово-корелированных конформационных состояний тубулинов наблюдается в обширных областях головного мозга и обеспечивает единство сознания. Эта когерентность само-поддерживается до тех пор, пока различие по массе-энергии между отдельными состояниями тубулинов не достигает критического порога, связанного с квантовой гравитацией. По достижении этого порога происходит «само-коллапс» суперпозиции квантовых состояний тубулинов в одно макросколическое состояние. Этот «само-коллапс» квантового состояния мозга отождествляется с актом сознательного мышления. Поскольку используется модель гравитационно индуцированной редукции волновой функции, то такая редукция означает одновременно выбор геометрии пространства-времени. В связи с сознанием это в свою очередь означает, что акт осознания «может вызывать само-возмущения геометрии пространства-времени» (с.467).

«В основе квантовой теории лежит дуализм волна/частица на уровне атомов и их компонент. До тех пор, пока квантовая система (атом или субатомные частицы) остается изолированной от своего окружения, она ведет себя как «волна возможностей» и существует как когерентная «суперпозиция» (с комплекснозначными коэффициентами) многих различных состояний. Существуют разные точки зрения по вопросу о том, как квантовая суперпозиция состояний «коллапсирует» или «редуцируется» до единственного классического состояния. Общепринятая точка зрения (Копенгагенская интерпретация) состоит в том, что квантовое состояние редуцируется вследствие квантовой корреляции с внешней средой, измерения или сознательного наблюдения (субъективная редукция: SR или R). Где находится квантовая частица и как она движется во время наблюдения - это «не определено», что, в соответствии с Копенгагенской интерпретацией, приводит к случайным измеряемым величинам. Наша точка зрения состоит в том, что для рассмотрения этого вопроса необходимо новое физическое явление (объективная редукция: OR[1]): когерентные квантовые системы могут «само-коллапсировать» по достижении критического порога по массе-времени-энергии, связанного с квантовой гравитацией. Другим свойством квантовых систем является квантовая несепарабельность или нелокальность, из которой следует, что все однажды провзаимодействовавшие квантовые объекты в некотором смысле продолжают оставаться связанными! ... Где и как в мозге могут наблюдаться квантовые явления? На первый взгляд кажется, что теплый, влажный и шумный мозг является враждебной средой для деликатных квантовых феноменов, для которых обычно необходима изоляция и холодный покой (сверхпроводники) или энергетическая накачка кристаллов (лазеры). Тем не менее различные авторы рассматривали ионные каналы, сами ионы, ДНК, пресинаптические решетки и МТ цитоскелетонов как элементы, опосредующие «стандартные» квантовые эффекты» (с.455-456)

С точки зрения авторов, МТ скелетов клеток являются наиболее вероятными объектами для квантовой когерентности, OR и сознания. «Идеальные свойства, необходимые для проявления квантовых свойств структур мозга, по-видимому, таковы: 1) распространенность, 2) функциональная значимость (например, регуляция связей нейронов и функционирования синапсов), 3) периодическая, кристалло-подобная структура с дальним порядком, 4) способность к временной изоляции от внешних взаимодействий/наблюдения, 5) функциональная взаимосвязь с явлениями квантового уровня и 6) способность к обработке информации. Мембраны, белки мембран, синапсы, ДНК и другие структуры клетки обладают некоторыми из перечисленных характеристик, но не всеми. МТ же скелета клетки, по-видимому, обладают всеми этими качествами» (с.459).

Сети самособирающихся белковых полимеров, т.е. скелет клетки, цитоскелетон нейрона поддерживает его форму, синаптические связи и выполняет другие важные функции. Основными компонентами цитоскелетона являются МТ: пустые цилиндрические полимеры, состоящие из отдельных белков, тубулинов. Каждый тубулин является полярным димером, диполем. МТ обладают пьезо- и ферроэлектрическими свойствами. МТ соединены друг с другом и иными структурами клетки специализированными белками, эти соединения образуют решеточные сети скелета клетки.

Некоторые исследования показывают, что функционирование скелета клетки может быть существенно для когнитивных процессов: исследования визуального восприятия кошек, крыс, памяти и обучаемости цыплят, процессы обучения и запоминания в гиппокампе млекопитающих.

Как цитоскелетон может передавать и обрабатывать информацию, т.е. участвовать в обработке могом внешних импульсов, предшествующей акту осознания? Тубулин может находиться в нескольких конформационных, т.е. геометрически различных, состояниях. Предполагается, что динамика паттернов конформаций тубулинов в МТ отвечает за процессы передачи, обработки и хранения информации. Было предложено несколько моделей передачи сигналов и обработки информации в МТ и других компонентах цитоскелетона. Авторы рассматривают МТ как «клеточный автомат».

Обработке информации в МТ посвящен отдельный пункт статьи, в котором приведены результаты компьютерного моделирования конформационных переходов тубулинов МТ. Последние рассматривались как «клеточные автоматы», т.е. сложные структуры, состоящие из конечного числа простых элементов, со следующими свойствами:
1) в данный момент времени каждый элемент находится в одном из конечного числа состояний (двух для простоты); 2) эти элементы образуют структуру с фиксированной геометрией; 3) каждый элемент взаимодействует только с соседними; 4) универсальные «часы» обеспечивают когерентность переходов так, что каждый элемент может переходить в новое состояние при каждом «тикании часов»; 5) правила перехода для изменения состояния зависят от «настоящего» состояния каждого элемента и его окружения; 6) в зависимости от начальных условий (начальных паттернов) простые правила перехода приводят к сложным динамическим паттернам, способным выполнять вычисления. Фон Нейманн доказал, что клеточные автоматы могут функционировать как машины Тьюринга, т.е. как вычислительные устройства, аналогичные компьютерам.

В качестве «часов», задающих ритм конформационных переходов в МТ-автоматах, был использован механизм возбуждения Фрелиха, а электростатические силы взаимодействия диполей, как «правила перехода» из одного конформационного состояния в другое.

У каждого тубулина имеется большая гидрофобная область - неполярный мешок групп аминокислот, которые взаимодействуют посредством сил ван дер Ваальса. Локализация электрона в гидрофобном мешке тубулина связана с конформационым переходом в димере тубулина. Напомним, что общая предпосылка модели состоит в том, что протоментальностью обладают все явления и, в частности, электрон, причем согласно развиваемым авторами представлениям протоментальность свободного электрона проявляется в момент его локализации, превращения из волны в частицу.

Лауреат Нобелевской премии Герберт Фрелих, внесший большой вклад в понимание сверхпроводимости, также предсказал существование квантовой когерентности в клетках. Фрелих предположил, что при условии энергетической накачки множество диполей белков, находящихся в общем электромагнитном поле (например, белки в поляризованной мембране, элементы в электретном полимере, подобном микротрубочкам), подвержены когерентным конформационным возбуждениям. Фрелих постулировал, что биохимическая и тепловая энергия поступает от внешней среды. Кооперативные, организованные процессы, приводящие к когерентным возбуждениям, согласно Фрелиху, возникают в связи со структурной когерентностью гидрофобных диполей в общем градиенте поля. «В квантовой физике такие когерентные состояния были названы конденсатами Бозе-Эйнштейна. Маршалл предположил, что они обеспечивают квантовые когерентные состояния, поддерживающие единство сознания» (с.464).

Результаты компьютерного моделирования показывают, что паттерны МТ-автоматов могут обеспечивать перенос, обработку и запоминание информации. В то же самое время отмечается, что «рассматривая только классические вычисления и локальные взаимодействия соседей, вряд ли можно с помощью МТ-автоматов найти подходы к сложным качествам сознания, в отношении описания которых на квантовую теорию возлагаются надежды» (с.465).

Предполагается, «что пред- и подсознательная обработка информации соответствует квантовой когерентной суперпозиции, которая может осуществлять «квантовые вычисления». Ряд авторов предположили, что квантовая когерентность может выполнять несколько вычислений одновременно, параллельно, в соответствии с квантовой линейной суперпозицией: состояние суперпозиции «коллапсирует» в конкретный результат вычисления» (с.466). «Квантовая суперпозиция, которая редуцируется за счет внешнего окружения или наблюдения (SR или R), не обладает свойством невычислимости и поэтому не подходит для сознания. Крупномасштабная квантовая когерентность, наблюдающаяся между тубулинами могла бы выполнять квантовые вычисления в пред-сознательных и под-сознательных процессах» (с.467). Предполагается также, «что «не-сознательные» автономные процессы соотвествуют классическим, не-квантовым вычислениям в МТ конформационных автоматах. Таким образом, OR-переход от квантовой, пред-сознательной обработки информации к классической, не-осознанной обработке может быть тесно связан с самим сознанием. Но что же такое сознание? Согласно принципам OR, каждое из квантовых состояний, находящихся в суперпозиции, обладает своей собственной геометрией пространства-времени. Когда различие между этими состояниями приведет к достаточно большому отличию соответствующих им геометрий пространства-времени, то система должна осуществить выбор и распасться (редуцироваться или коллапсировать) до единственного состояния... Переходное состояние суперпозиции мало различающихся геометрий пространства-времени существует до тех пор, пока не происходит квантово-классическая редукция и выбор одного из них. Таким образом, сознание может вызывать само-возмущения геометрии пространства-времени» (с.467). Подчеркнем еще раз, что различные квантовые состояния, входящие в суперпозицию, - это конформационные состояния тубулинов МТ.

Критерий осуществления OR: «гравитационная энергия квантовой суперпозиции масс, смещение которых за данное время достаточно сильно возмущает пространство-время так, что происходит OR, берется из «принципа неопределенности»: E=h / T, где h - это постоянная Планка, деленная на два «пи», а T - время когерентности» (с.468). Время когерентности Т оценивается, исходя из данных экспериментальной психологии по измерению времени протекания пред-сознательных процессов: было обнаружено, что оно составляет около 0.5 сек. Оценка энергии конформационного перехода одного тубулина дает возможность оценить количество тубулинов, которые должны быть вовлечены в когерентные конформационные переходы для того, чтобы суммарная энергия была достаточна для OR: порядка 109 тубулинов. Оценка проводилась в рамках неютоновской теории тяготения, рассматривалось три различных представления тубулина: а) как две сферы, представляющие два мономера белкового димера; б) как совокупность атомов углерода и в) как совокупность нуклонов, т.е. нейтронов и протонов, входящих в ядра атомов углерода.

Для развиваемой авторами модели сознания существенен вопрос о том, «как квантовая когерентность в МТ может быть изолирована от квантовой корреляции с внешней средой?» «На первый взгляд кажется, что внутренние области клеток плохо подходят для квантовых эффектов. Тепловой «шум» внутриклеточной воды может приводить к нарушению когерентного состояния и SR или R-коллапсам» (с.473). Обсуждается несколько факторов, которые могут обеспечить изоляцию МТ и поддержать квантовую когерентность: «шуба» упорядоченной воды вокруг МТ, изоляция внутри полого ядра МТ, экранировка гелевыми цитоплазмическими слоями.

Следующим существенным элементом модели являются ассоциированные с МТ белки, которые соединяют МТ между собой и другими структурами клетки. Эти белки могут служить «проводниками» возникновения квантовой корреляции между состоянием МТ и «шумной» случайной внешней средой и соответственно к «стандартному» коллапсу волновой функции (R или SR), который не имеет отношения к акту осознания. В связи с этим предполагается, что эти белки соединены к «каждой МТ в таких местах, которые (по крайней мере временно) не активны в отношении квантово коррелированных конформационных изменений» (с.477). Эти точки связи МТ между собой и с другими структурами клетки рассматриваются «как эффективные «узлы» для квантовых осцилляций МТ, которые вместе с генетическими и другими модификациями тубулинов «оркеструют» квантовую когерентность МТ и последующую OR. Поэтому специфическая объективная редукция (OR), происходящая в МТ и связанная с осознанием, обозначается «оркестрованной объективной редукцией» (Orch OR)» (там же).

На основе экспериментальных данных о количестве тубулинов в одном нейроне (107) дается оценка минимального количества нейронов, которое необходимо для осуществления Orch OR: порядка 100 нейронов. «Нервная система таких организмов как нематода C. Elegans содержит несколько сотен нейронов. Функциональные группы нейронов, задействованные в когнитивных процессах человека, предположительно содержат около 10000 нейронов, которые могут быть широко распределены по мозгу» (с.475).

Таким образом, развиваемая авторами модель содержит следующие компоненты.

А) Макроскопическое квантовое состояние когерентной суперпозиции может существовать между тубулинами МТ в больших областях мозга.

Б) Это квантовое состояние может поддерживаться без значительной квантовой коррелированности с окружением в течение определенного периода времени (до 500 мсек).

В) Кооперативные взаимодействия между соседними тубулинами в МТ могут обрабатывать информацию подобно клеточным автоматам. Предлагается существование двух типов вычислительных процессов в МТ: «1) классическое вычисление: конформационные паттерны распространяются по цитоскелетону, осуществляя регуляцию активности синапсов и другие функции нейронов. Эта мода коррелирует с бес-сознательной и автономной активностями; 2) квантовые вычисления: квантовая когерентность на больших масштабах реализуется между тубулинами и играет роль квантового компьютера, в котором множество «вычислений» происходит одновременно, параллельно, в соответствии с квантовой линейной суперпозицией» (с.476) Квантовые вычисления отождествляются с пред- и под-сознательной обработкой информации.

Г) При квантовых вычислениях изменения конформаций димера приводят к движению массы, следовательно к изменению геометрии пространства-времени конформационного состояния. Оценивается временная шкала Т и вычисляется количество находящихся в состоянии когерентной суперпозиции тубулинов, которое необходимо для само-коллапса объективной оркестрованной редукции: Orch OR. Поскольку квантовые вычисления отождествляются с пред-сознательной обработкой информации, для Т=500мсек получается грубая оценка - 109 тубулинов, необходимых для Orch OR.

Д) Ассоциированные с МТ белки, соединенные с некоторыми тубулинами МТ, по-видимому, являются одной из возможных причин возникновения квантовой корреляции состояний тубулинов с «шумной» случайной внешней средой. Об условиях изоляции этих белков и других механизмах изоляции состояния МТ упоминалось выше.

Е) Orch OR - процесс осуществляет выбор множества новых конформационных состояний тубулинов в МТ, которые обеспечивают выполнение различных функций нейронов и влияют на синаптические связи и функции других клеточных структур.

Ж) «Постоянство и глобальное единство сознания видится как свойство крупномасштабной квантовой когерентности, охватывающей большую часть мозга.

Вариации в Orch OR, обусловленные различными временами когерентности и количеством когерентных тубулинов, могут сочетаться в сознательной мысли. Очень интенсивные, внезапные внешние импульсы могут приводить к возникновению квантовой когерентности тубулинов быстрее, чем за 500 мсек, поэтому Orch OR будет происходить быстрее. Сигналы с низкой интенсивностью приводят к более медленному развитию когерентности и Orch OR происходит позже. Мгновенная Orch OR может «связать» различные суперпозиции тубулинов, которые развились из пространственно различных распределений и на разных временах, - в мгновенное сознательное «теперь». Каскады Orch OR представляют собой хорошо известный «поток сознания»» (с.478).



[1] Представление об объективной редукции волновой функции было развито Р.Пенроузом в монографии «Тени разума» (1994).


http://www.gipnoz.ru/statya.html