The holographic memory of the brain

Голографическая память мозга

Многие авторы отмечали, что кора мозга проявляет свойства голографической памяти. Можно перечислить длинный ряд имён авторов голографических моделей мозга (R.Beurle, P.R. Westlake, K. Pribram, И.Г. Беспалько, P. Greguss, A. Borsellino, T. Poggio, Ю.А. Воронов, С.Н. Брайнес, А.И. Суслов, В.А. Преснов, Г.И. Шульгина и др.), и у всех основой такой позиции было сходство свойств нашей памяти со свойствами голографической системы.

Действительно, и голографическая память (например, на основе толстослойной фотоэмульсии), и наш мозг имеют одни и те же особенности:

– запись каждой порции информации происходит не на определённом участке запоминающей среды, размеры которого соответствовали бы ёмкости информационного пакета, а в обширной области, значительно превышающей нужные для этого пакета размеры;

– запись и чтение информации происходят не поэлементно, а сразу в виде двумерных массивов, образов;

– в одной и той же области запоминающей среды хранится множество различных не смешивающихся информационных массивов, образов;

– в отличие от других способов запоминания информации, оказывается возможным практически мгновенное извлечение из

bundle incidence onto the film while recording and reproducing each of the images. The number of images (2D information arrays, images) to be recorded on one and the same part of the film increases as the filmthickness and resolution increases.

The equal angles, at which the reference and readout bundles must be directed relative to the memory media, for recording and reproducing a certain image act as its address in the memory.

Many authors have noted that the brain cortex exhibits the properties of holographic memory. There is a great list of the names of the authors of holographic models of the brain (R.Beurle, P.R. Westlake, K. Pribram, I.G. Bespalko, P. Greguss, A. Borsellino, T. Poggio, Yu.A. Voronov, S.N. Breines, A.I. Suslov, V.A. Presnov, G.I. Shulgina and others), and all of them relied their concepts on similarity of the properties of our memory with those of holographic system.

In fact, both holographic memory (based, for example, on thick-film photoemulsion) and our brain have similar features:

– recording of each portion of information ocurrs not on a certain segment of the memory media, the size of this segment being fit with that of the information packet, but in a wide area significantly exceeding the sizes required for this packet;

– recording and reading of data runs as 2D arrays, images rather than elementwise;

– one and the same segment of the memory media stores a great number of different immiscible information arrays, images;

– unlike other methods of data memorization, practically instantaneous extraction of any image, independent on its address, from the memory is provided;

памяти любого образа, независимо от его адреса;

– характерно одинаковое реагирование на локальные повреждения памяти – не исчезновение какой-то конкретной информации, что свойственно другим системам, а лишь общее снижение отношения сигнал/шум;

Наконец, в пользу голографической природы памяти мозга говорит высокая скорость запоминания и извлечения информации из памяти („быстрый, как мысль...”) при низкой скорости элементарных процессов, с помощью которых эти действия реализуются.

Изучение клинической картины повреждений мозга позволило заключить, что вместилищем нашей памяти является кора больших полушарий. Именно её повреждения выявили перечисленные черты сходства с голографической памятью.

Учёными проведено много исследований для выяснения физической, химической и биологической природы памяти мозга. Исследования далеко не завершены, но отдельные выводы уже могут быть сделаны. Ясно, что память мозга основана не на одном, а на нескольких биологических механизмах.

Об этом говорят различия свойств кратковременной и долговременной памяти, множественность способов реагирования нейронов на характер стимуляции – биохимические изменения в протоплазме (среди них – синтез РНК и белков), изменения синапсов и их органелл, разрастание аксонных коллатералей, замена дегенерировавших синапсов окончаниями аксонов других систем и т.п. [Бабминдра, Брагина, 1989]. При стимуляции нейрона происходит перестройка его дыхания и ультраструктуры, набухание эндоплазматического ретикулума и митохондрий, сброс рибосом с мембран и т.п.

Изменения, остающиеся после возбуждения нейрона, проявляются на уровне клетки в целом и на уровне синапсов. Поскольку на один нейрон мозга приходятся тысячи синапсов, можно предположить, что именно они определяют геометрическую разрешающую способность тканей мозга как запоминающей среды и, следовательно, определяют ёмкость памяти. Но и без этого, современная оценка числа нейронов в мозге

– similar response to local failures of memory – only the general decrease of the signal/noise ratio rather than removal of some specific data, as being typical of other systems.

Finally, the high rate of memorization and extraction of data from memory (“as fast as a thought …”), while the rate of elementary processes which implement these operations is rather low, counts in favour of holographic nature of the brain memory.

Study into the clinical presentation of the brain damage enables one to conclude that the cerebral hemisphere cortex is a repository of our brain. It has been just these damages of the cerebral hemisphere cortex which have revealed the above listed points of similarity with the holographic memory.

The scientists have carried out a great deal of research to inquire into the physical, chemical and biological nature of the brain memory. The research has not yet been completed; however some conclusions can be already made. It is clear that the brain memory is based not on one but on several biological mechanisms.

It is evidenced by the differencies in the properties of short-term and long-term memory, plurality of the methods of neuron response to the type of stimulation – biochemical changes in the protoplasm (including RNA and protein synthesis), the changes of synapses and their organelles, the enlargement of axonal collaterals, the replacement of degenerated synapses by the endings of axons of other systems, etc. [Babmindra, Bragina, 1989]. The neuron being stimulated, its breathing and ultrastructure are reconstructed, the endoplasmic reticulum and mitochondria swollen, the ribosomes discharged from membranes, etc.

The changes remaining after neuron excitation show up at cellular level as a whole and at the level of synapses. Since thousands of synapses fall at one brain neuron, one may assume that it is precisely these synapses that specify geometric resolution of the brain tissues as memory media and, therefore, define the memory size. Moreover, the up-to-date estimation of the number of neurons in the human brain – of an order of 1,000 billions – admits the average

человека – порядка 1000 миллиардов – позволяет говорить о среднем шаге расположения нейронов около 10 микрон, что сопоставимо с разрешающей способностью фотоэмульсий.

Такие соображения позволяют считать ткани мозга высокоразрешающей запоминающей средой, где оставляют свои следы волны нервного возбуждения. Запоминающая способность разных тканей мозга неодинакова, в них заметна некоторая специализация. Основным вместилищем памяти является кора больших полушарий. Если оценивать кору как запоминающую среду голографической системы, то ясно, что значительная толщина и высокая разрешающая способность говорят о возможности запоминания в одном и том же объёме нервной ткани очень большого количества независимых (несмешивающихся) образов.

В каком виде запоминается информация в коре мозга? Ответ даёт сопоставление нервной ткани коры с голографической запоминающей средой, например, систем голографического кинематографа [Комар, Серов, 1987].

В результате взаимодействия (интерференции) опорного и предметного лучей, в слое фотографической эмульсии возникает сложное распределение участков концентрации световой энергии, которое после проявления и закрепления фотоматериала регистрируется в виде микроскопических участков потемнения фотослоя. При работе фотослоя „на отражение” эти участки модулируют (избирательно изменяют) степень отражения лучей, а при работе „на просвет” – модулируют степень поглощения лучей или прозрачность слоя. Увидеть простым глазом в совокупности потемневших участков зарегистрированное изображение невозможно. Но если направить на фотослой когерентные лучи лазера, то они подвергнутся дифракции на мельчайших потемневших участках эмульсии, и тогда в пространстве, в стороне от фотослоя, сформируется изображение зарегистрированных голограммой предметов.

Для коры мозга „потемневшие” участки запоминающей среды – это микроскопические участки ткани, несколько хуже проводящие нервные импульсы, а значит, и волны

pitch of neurons location being appr. 10 m that is comparable with photoemulsion resolution.

This suggests that the brain tissues are high-resolution memory media where the waves of nervous excitation leave their traces. The memory capability of various brain tissues is different, showing some specialization. The cerebral hemisphere cortex is the main repository of memory. If we consider the cortex as the memory media of the holographic system it becomes clear that great thickness and high resolution testify to the capability of memorizing a great amount of independent (immiscible) images in one and the same volume of the neural tissue.

In what form is the information in the brain cortext memorized? The answer can be provided by comparing the cortex neural tissue with the holographic memory media of, say, holographic cinematography [Komar, Serov, 1987].

The interference between the reference and object rays results in the complicated distribution of the light energy concentration segments in the photoemulsion layer, which is registered, after the photomaterial have been developed and fixed, as micro-regions of film darkening. When the film works “in reflection” these micro-regions modulate (change selectively) the degree of ray reflection, and when the film works “in lumen” they modulate the degree of ray absorption or transparency of the layer. There is no way to observe the registered image in the union of darkened regions by the naked eye. However, if one directs the laser coherent rays to the film they will undergo diffraction on the finest darkened segments of the emulsion, in which case the image of the hologram-registered objects will be formed in the space clear of the film.

For the brain cortex the darkened segments of the memory media are the micro-regions of the tissue, which conduct the neural impulses, and, hence, the nervous excitation waves,

нервного возбуждения. Картина интерференции опорной и предметной волн нервного возбуждения запоминается нервной тканью в виде сложного распределения мельчайших участков, более заторможенных, менее возбудимых, чем в среднем ткань коры полушарий. Важную роль должны играть не только „приторможенные” нейроны, но и отдельные синапсы, ставшие менее „прозрачными”, менее проводящими для нервных импульсов.

Пытаться прочесть голографическую запись в коре мозга – бесполезно. Конкретная информация (например, рисунок самолёта) оказывается распределённой в многомиллиардном ансамбле нейронов и как бы зашифрованной. Ключом к шифру является считывающая волна нервного возбуждения, движущаяся точно в том же направлении, что и при записи.

Чем толще кора и выше её разрешающая способность (т.е. гуще расположены нейроны и синапсы), тем больше образов может быть запомнено на данном участке коры без помех друг другу, и значит, тем меньше отличаются друг от друга углы прохождения волн, записывающих и считывающих разные образы. И точнее должны быть направлены эти волны.

Вероятно, в ходе эволюции птиц естественный отбор работал на достижение особенно высокой плотности записи информации в мозге ради уменьшения его веса. Поэтому не следует удивляться, если окажется, что по интеллекту на единицу массы мозга птицы опережают других животных.

Когда приходит считывающая волна нужного направления, она испытывает дифракцию на заторможенных нейронах и „непрозрачных” синапсах. При этом нейроны, ранее заторможенные при запоминании множества других образов, ослабляют и несколько зашумливают считывающую волну, но не создают на выходе связного изображения. Целостное изображение на выходе памяти способны сформировать лишь нейроны, ставшие заторможенными в момент запоминания единственного образа, при записи которого опорная волна нервного возбуждения проходила строго под тем же углом, что и считывающая волна.

worse. The interference pattern of the reference and object waves of nervous excitation is memorized by the neural tissue as a complex distribution of the finest regions that are more stagnated and less excitable than the tissue of the hemisphere cortex on the average. Not only “slightly stagnated’ neurons must play the important role, but also individual synapses that have become less “transparent” and less conducting for neural impulses.

There is no use of trying to read the holographic record in the brain cortext. The specific information (e.g. a picture of a plane) appears distributed in the multibillion ensamle of neurons and quasi encoded. The code key is a readout wave of nervous excitation that moves in the same direction as when being recorded.

The thicker the cortex and the higher its resolution (i.e. the neurons and synapses are located densely), the more images can be stored on the given segment of the cortex without interference to each other, and, hence, the propagation angles of the waves recording and reading out different images are less different from one another. Also, these waves must be directed more precisely.

It is likely that during evolution of the birds the natural selection worked to achieve especially high data density in the brain for reducing its weight. Therefore it will not be surprising if it happens that the birds outdo other animals by their intellect per unit of the brain weight.

The readout wave of the needed direction having arrived, it undergoes diffraction on stagnated neurons and nontransparent synapses. At that, the neurons, which have been formerly stagnated while storing a great number of other images, weaken the readout wave and bring some noise to it, but do not generate a coherent image at the output. The integral image at the memory output can be generated only by the neurons that have become stagnated while memorizing a single image during which the reference wave of nervous excitation passed strictly at the same angle as the readout wave did.

О механизме адресации, т.е. управления направленностью волн, см. ниже, в главе 3.4.2.

Теория голографической записи информации к настоящему времени разработана хорошо, но разработана применительно к использованию синусоидальных волн. В мозге же действуют солитоны. Исследование специфики солитонной голографии ещё впереди. Несомненно, оно углубит проникновение в физиологию мозга.

Дата добавления: 2015-06-04