How addressing is performed in the cortex

Адресация в коре мозга

В технических системах голографической памяти изменение адреса записываемого или считываемого изображения, т.е. поворот опорного (или считывающего) пучка лучей относительно запоминающей среды, выполняется путём механического поворота фотопластинки, зеркала или другого элемента оптической схемы.

Мозг, как известно, не содержит движущихся частей. Природа выбрала иной вариант управления направленностью волн, не требующий механических перемещений, а потому более быстрый и надёжный. Она использовала хорошо известный в радиотехнике (особенно – в радиолокации) принцип фазированной антенной решётки. Его суть в следующем.

Если расположить в ряд несколько антенн (например, УКВ-диполей) и подать на них одинаковый, строго сфазированный сигнал, то волна излучения будет распространяться в пространстве перпендикулярно этому ряду. Если же изменить фазы подаваемых на диполи колебаний так, чтобы фаза сигналов антенны с более высоким номером отставала на определённую величину от фазы предыдущей антенны, то суммарный вектор излучения (вектор Пойнтинга) антенного ряда отклонится от перпендикуляра в направлении более высоких номеров антенн и наоборот. Угол отклонения растёт с ростом разности фаз между соседними антеннами.

При необходимости управления вектором Пойнтинга в двух взаимно перпендикулярных направлениях разработчики используют параллельно расположенные ряды антенн, т.е. двумерную антенную решётку.

Чтобы управлять величиной фазового сдвига между элементарными антеннами, разработаны устройства, называемые фазовращателями.

Нервные окончания пучка волокон, приносящего волну-образ, например, к одному из участков коры больших полушарий, могут рассматриваться как элементарные излучатели (антенны) фазированной антенной

In the engineering systems of holographic memory the change of the address of recorded or read image, i.e. rotation of the reference (or readout) ray bundle relative to the memory media, is performed by mechanical rotation of a photoplate, mirror or other element of the optical scheme.

The brain, as is well known, does not have moving parts. The nature has chosen another way to control the direction of the waves, which does not require mechanical movements and therefore is faster and more reliable. It employs the phased array principle that is well known in radio engineering (especially, in radars). This principle runs as follows.

If we arrange several antennas (e.g. VHF doublets) in a row and supply the equal, strictly phased signal to them, then the radiation wave will propagate in the space at right angles to this row. And if we change the phases of vibrations supplied to te doublets so that the signal phase of antenna of higher number lags behind that of the previous antenna by a certain magnitude, then the sum radiation vector (Pointing’s vector) of antenna row will deviate from the normal towards higher numbers of antennas and vice versa. The deviation angle grows as the phase difference between the neighboring antennas increases.

When it is necessary to control the Pointing vector in two mutually perpendicular directions the developers use the antenna rows arranged in parallel, i.e. a 2D array antenna.

To control the value of the phase shift between the elementary antennas, the devices called phase changers have been developed.

The nerve-endings of the fiber bundle transferring the pattern wave, for example, to one of the parts of great hemisphere cortex can be considered as elementary radiators (antennas) of the phased array. In case the unmodulated front

решётки. Если немодулированный фронт опорной волны нервного возбуждения достигнет всех окончаний одновременно, в одной фазе, то общий вектор излучения окажется перпендикулярным поверхности решётки. Если же волна возбуждения появится у одного края решётки раньше, чем у другого, то вектор распространения возбуждения в тканях коры отклонится от перпендикуляра в сторону второго края решётки.

Многие нейробиологи полагают, что скорость распространения нервного возбуждения в одной и той же нервной ткани неизменна, как неизменно время прохождения нервного импульса по аксону. Но это не так. Даже в отдельном нейроне под влиянием тормозных воздействий может несколько изменяться латентный период между поступлением внешнего стимула и возникновением потенциала действия. Главное же в другом – нервная ткань ведёт себя не так, как отдельный нейрон.

В зависимости от соотношения тормозных и возбуждающих воздействий, нейрон может возбудиться при подходе волны возбуждения или „промолчать”. Но молчание части нейронов вовсе не прекращает распространение волны возбуждения по ткани. Разница лишь в том, что в зоне торможения нервное возбуждение распространится не кратчайшими путями, а по лабиринту более редкой сети нейронов, сохранивших активность, на что потребуется больше времени.

Это значит, что тормозное воздействие способно снизить среднюю скорость распространения возбуждения по нервной ткани. Поэтому мощное тормозящее воздействие вблизи зоны окончаний нервного пучка на поверхности коры способно, по принципу фазированной антенной решётки, отклонить в свою сторону вектор перемещения энергии (волны) нервного возбуждения – вектор Пойнтинга.

На рис. 3.6 показана схема поворота (в одной плоскости) вектора излучения волны нервного возбуждения в коре мозга при изменении адреса записываемого или считываемого образа.

of the reference wave of nervous excitation reaches all nerve-endings concurrently in one phase the sum radiation vector will appear normal to the array surface. If the excitation wave comes at one edge of the array earlier than at another the vector of excitation propagation in the cortex tissue will deviate from the normal towards the second edge of the array.

Many neurobiologists believe that velocity of the nervous excitation propagation in one and the same nerve tissue is invariable the same as the time of nerve impulse passage along the axon. But it is not so. Even in a separate neuron, when affected by inhibition, the latent period between the arrival of the external stimulus and emergence of the action potential can change slightly. The main point, however, is that the nerve tissue behaves unlike a separate neuron.

Depending on the relationship between inhibitory and excitatory actions, the neuron can go excited, as the excitation wave arrives, or not. However, “unexcitation” of a number of neurons not at all stops the propagation of the excitation wave in the tissue. The difference is only that in the inhibition region the nervous excitation propagates not by shortest paths but through a maze of sparcer network of neurons that have remained active, which requires more time.

It means that the inhibitory action is capable of reducing the velocity of excitation propagation in the nerve tissue. Therefore, the great inhibitory action in the vicinity of the nerve bundle endings on the cortex surface can deflect the vector of the nervous excitation energy (wave) displacement – Pointing’s vector - towards its side, according to the phased array principle.

Fig. 3.6 gives a schematic of rotation (in one plane) of the nervous excitation wave radiation vector in the brain cortex at changing the address of recorded or read pattern.

Рис. 3.6. Схема поворота вектора излучения

волны нервного возбуждения в коре мозга

при изменении адреса записи-считывания.

Fig. 3.6. A scheme of rotation of the nervous excitation wave radiation vector in the brain cortex at changing the record-readout address.

Здесь показаны: 1 – пучок нервных волокон, подводящий к коре мозга немодулированную опорную волну нервного возбуждения при запоминании, или же считывающую волну – при считывании образа из памяти; 2 – пучок нервных волокон, подводящий волну-образ с сенсорной информацией (“предметную” волну – в терминах теории голографических систем); 3 и 4 – сигналы тормозных воздействий, управляющие адресацией; 5 – область градиентного торможения, изменяющая направление волн нервного возбуждения в коре мозга; 6 – вектор Пойнтинга одной из опорных (или считывающих) волн; 7 – фронт одной из опорных (или считывающих) волн; 8 – фронт волны-образа с сенсорной информацией при записи; 9 – нервная ткань коры мозга, являющаяся голографической запоминающей средой; 10 – пучок нервных волокон, отводящий при считывании волну нервного возбуждения с извлечённой информацией.

Представим себе, что в точке, куда подходит сигнал 3, приложено мощное тормозное воздействие, распространяющееся в области 5 и плавно уменьшающееся по мере

Here, 1 – a nerve fiber bundle that supplies the unmodulated reference wave of the nervous excitation to the brain cortex at memorizing, or the readout wave – at reading the pattern out from the memory; 2 – a nerve fiber bundle that supplies the pattern wave with the sensory information (that is the “object” wave in terms of holographic system theory); 3 and 4 – the inhibitory action signals that control addressing; 5 – a gradient inhibition region that changes the direction of the nervous excitation waves in the brain cortex; 6 – the Pointing’s vector of one of the reference (or readout) waves; 7 – the front of one of the reference (or readout) waves; 8 – the front of the pattern wave with the sensory information at recording; 9 – the nerve tissue of the brain cortex, which is the holographic memory media; 10 – a nerve fiber bundle that leads out the nervous excitation wave with the sensory information at reading out.

Assume that in the point where the signal 3 arrives the great inhibitory action is applied, which propagates in the region 5 and gradually decreases as it moves away from the point of

удаления от точки приложения. Это приведёт к неравномерному уменьшению скорости распространения волн нервного возбуждения при прохождении области 5 – снижение скорости окажется наиболее заметным вблизи тормозного воздействия и всё менее ощутимым с удалением от него. Соответственно, вектор Пойнтинга и фронт опорной (или считывающей) волны окажутся повёрнутыми в сторону тормозного воздействия, что определит адрес голографической записи. Чем сильнее торможение – тем на больший угол отклонятся вектор и фронт волны.

Схема, изображённая на рис. 3.6, показывает (как отмечалось) устройство системы адресации в одной плоскости. Но аналогичная картина имеет место и в перпендикулярном направлении, что обеспечивает повороты вектора Пойнтинга опорной и считывающей волн, ориентировочно, в пределах полусферы.

При записи нового образа опорная и предметная волны нервного возбуждения интерферируют между собой, создавая в коре мозга сложную картину распределения возбуждённых областей. Запоминается именно пространственное распределение возбуждённых точек интерференционного поля. Если в дальнейшем считывающая волна пройдёт под таким же углом, как и опорная волна при записи, то окажется воспроизведённым образ, записанный по данному адресу. Изменение величин тормозящих воздействий или их пространственного распределения изменят адрес записи-считывания.

На рис. 3.6 для удобства изображения схемы отведение извлечённого из памяти образа показано с противоположной (относительно подводящего пучка) стороны коры. Реальное считывание происходит с той же стороны, что и запись.

Таким образом, в момент запоминания новых данных в коре мозга одновременно распространяются и пересекаются (интерферируют) две волны – волна-образ, несущая сенсорную информацию, и немодулированная опорная волна. Последняя не несёт никакой информации, но без неё процесс голографической записи в нервной ткани был бы невозможен. Изменение интенсивности тормозных процессов в зоне подведения

application. This will cause nonuniform slowdown of propagation of the nervous excitation waves as they pass through the region 5. The slowdown will be most noticeable in the vicinity of inhibitory action and less perceptible with distance from it. Correspondingly, the Pointing’s vector and the reference (or readout) wave front will appear rotated towards inhibitory action that will determine the address of a holographic record. The stronger is the inhibition, the greater is the angle of the vector and wave front deviation.

A scheme of Fig. 3.6 shows (as was mentioned) a system composition of addressing in one plane. But a similar picture also takes place in the vertical direction that enables rotations of the Pointing’s vector of the reference and readout waves, tentatively, within a half-sphere.

At recording a new pattern the reference and object waves of nervous excitation interfere between each other thus creating a complex picture of distribution of excited regions in the brain cortex. It is the spatial distribution of excited points of the interference field that is memorized. If the readout wave will then pass at the same angle as the reference wave at recording, then the pattern recorded at the given address will be reproduced. Varying the values of inhibitory actions or their spatial distribution will change the record-readout address.

In Fig. 3.6, for better visualization, the lead-out of a pattern extracted from the memory is shown on the opposite side (relative to supplying bundle) of the cortex. Real readout occurs on the same side as recording takes place.

Thus, at memorizing the new data the two waves – the pattern wave transferring the sensory information and the unmodulated reference wave – concurrently propagate and intersect (interfere) in the brain cortex. As for the unmodulated reference wave, it does not carry any information but the process of holographic recording in the nerve tissue would be impossible without it. Varying the intensity of inhibitory processes in the region of the reference wave

опорной волны к коре мозга регулирует направление распространения каждой очередной волны и определяет адреса записи новых образов в нейроголографической системе.

В процессе восприятия или осмысливания сенсорной информации, при определении корреляции нового образа с данными, ранее записанными в памяти, происходит одновременное сопоставление со многими образами, формируется двумерное поле результатов сравнения, содержащее многочисленные пики корреляционной функции. Важнейшим является пик максимальной высоты. Он указывает адрес образа, наиболее сходного с анализируемым.

Для извлечения из памяти (вспоминания) конкретного образа нужно направить немодулированную считывающую волну точно по его адресу или, иначе говоря, точно под таким углом, под каким проходила опорная волна при записи. За жизнь человека мозг запечатлевает огромное количество волн-образов и, если мы восторгаемся меткостью стрелка, попадающего в центр мишени, то не меньшего восхищения заслуживает человек с хорошей памятью, ибо его мозг с точностью снайпера направляет считывающие волны за нужной информацией строго по нужным адресам. К сожалению, такая точность работы мозга реализуется далеко не у всех людей.

3.4.3. Мышление – это поиск корреляций

Так мы пришли к описанию мозга как оптической системы, содержащей более сотни голографических корреляторов, в памяти каждого из которых хранится множество ранее записанных образов. Новая информация может сопоставляться с ранее записанной. Может оцениваться степень сходства или различия между новыми и ранее записанными данными. Всё это осуществляется путём вычисления функций корреляции между образами.

Какой смысл вкладывается в понятие корреляции? Математики определяют корреляцию как вероятностную зависимость между случайными величинами, не имеющую характера строгой

supply to the brain cortex controls the direction of propagation of each following wave and determines the record addresses of new patterns in the neuroholographic system.

In perceiving or realizing the sensory information, when defining the correlation of the new pattern with the data formerly recorded in the memory, the concurrent comparison with many patterns occurs, and the 2D field of comparison results, which contains multiple peaks of the correlation function, is generated. The maximum height peak is of greatest importance. It points to the address of the pattern that is most similar to that under consideration.

To extract a certain pattern from the memory, one must direct the unmodulated readout wave exactly at its address or, in other words, at the same angle at which the reference wave passed during recording. During the whole life the human brain records a great number of pattern waves and, when we are delighted with the accuracy of a marksman who hits the center of a target a human having a very good memory also deserves admiration, since his brain is capable of forwarding the readout waves for the needed information at exactly required addresses with a sniper’s accuracy. Unfortunately, far not all peole are able to implement such accuracy of the brain functioning.

Дата добавления: 2015-06-04