Увы, теория электромагнетизма нам не поможет. Закон Ома для мозга не годится.
Если б электромагнитными феноменами можно было объяснить всё, что происходит в мозге включая его интеллектуальные продукты, воспоминания, сложные эмоции и пр. на этом разговор бы завершился. (Такие попытки делались и делались многократно в период расцвета рефлекторной теории подробнее см. главу 3.)
Но сегодня, пожалуй, даже ребёнок, смотрящий мультики про монстров, не поверит в то, что путём втыкания в бездыханное тело электродов его можно оживить.
Тем не менее, мы на верном пути. При построении модели сложной системы и вправду хорошо бы (правильно, целесообразно, необходимо и т.д.) рассматривать элементы на самом фундаментальном уровне бытия там, где обитают субатомные частицы.
Кстати, а что это вообще такое?
Физики утверждают, что в природе существуют «частицы вещества» (фермионы) и «частицы взаимодействия» (бозоны).
К первым относятся, например, электроны и кварки, формирующие протоны и нейтроны. Ко вторым фотоны.
Электрон такая же стабильная частица вещества, как протон и нейтрон. Вместе они образуют каркас атома, но не являются прямыми переносчиками энергии внутри него.
Каркас склеивают бозоны. Именно они ответственны за действие в физическом смысле.
Некоторые бозоны называют виртуальными частицами. Характеристика «виртуальные» условна: их нельзя обнаружить при помощи приборов как дискретные частицы, зато можно зафиксировать как волны.
Так, в 1983 году были открыты W и Z-бозоны, ответственные за слабое взаимодействие.8 Скажем, при т.н. «бета-минус-распаде» в нейтроне один из трёх кварков преобразуется так, что вместо нейтрона появляется протон. А также короткоживущий «виртуальный» W-бозон. Он, в свою очередь, распадается на стабильный электрон и антинейтрино. В результате один фермион (нейтрон) превращается в два фермиона другого типа (электрон и протон), имеющих, к тому же, противоположные электрические заряды.
Так, в 1983 году были открыты W и Z-бозоны, ответственные за слабое взаимодействие.8 Скажем, при т.н. «бета-минус-распаде» в нейтроне один из трёх кварков преобразуется так, что вместо нейтрона появляется протон. А также короткоживущий «виртуальный» W-бозон. Он, в свою очередь, распадается на стабильный электрон и антинейтрино. В результате один фермион (нейтрон) превращается в два фермиона другого типа (электрон и протон), имеющих, к тому же, противоположные электрические заряды.
Что нам это даёт?
Во-первых, гораздо более сложную картину взаимодействия субатомных частиц, нежели та, к которой мы привыкли со школы.
Во-вторых, получается, что, строго говоря, межядерные и электромагнитные взаимодействия нужно рассматривать в рамках единой теории. Физики так и поступили, назвав эту концепцию теорией электрослабого взаимодействия.
Тогда электромагнитное взаимодействие по своей природе суть обмен бозонами между фермионами.
Тогда представлять изменение трансмембранного потенциала клеток в мозге как движение электронов грубое упрощение.
Тогда источником/участником всякого мозгового «процесса» и «события» т.е. действий на самом фундаментальном физическом уровне является бозон.
Игнорировать эти следствия при обсуждении мозговых феноменов, по меньшей мере, странно.
Небольшой пример.
Откройте любую книгу по нейрофизиологии: прочтите о механизме возникновения цветового ощущения. Пишут, что свет в сетчатке преобразуется в энергию электрического сигнала внешние фотоны как-то меняют конфигурацию молекулы родопсина, что названо красивым словом «фотодиссоциация». 3,14
Что происходит с родопсином и почему? Что именно делают фотоны с электронами? Куда и каким образом возбуждённые электроны перемещаются (летят? излучают? падают, отражаясь или поглощаясь?) да ещё так, чтобы возник конкретный для мозга смысл? Как это всё понять?
Никак, если забыть, что фотон это тоже бозон. И, следовательно, при падении света на сетчатку речь идёт о фермионно-бозонном взаимодействии.
Впрочем, привлечение субатомных частиц в разговор о мозге, само по себе, мало что значит.
Физики сочинили какую-то теорию, пускай, подтвержденную экспериментально. Ну, и что?
Допустим, что мозг состоит из более мелких, чем нейроны-молекулы-атомы, элементарных единиц. Но это никак не проясняет механизмы (способы, принципы и т.д.) их взаимодействия.
Верно. Придётся нырнуть поглубже.
Для описания взаимодействия фермионов посредством бозонов на микро-уровне любой физической системы введено понятие «квант».
Подробно о квантовой парадигме мы поговорим в главе 5. Сейчас очень кратко заметим, что квант это неделимая порция энергии, значение которой может быть различным. Содержание кванта принципиально неопределённо.
Поясним это.
Бозоны постоянно взаимодействуют. Результат их взаимодействий «событие» точно предсказать нельзя. Почему? Потому, что самый «процесс» взаимодействия нетривиален. Он представим как состояние, при котором бозон (или несколько бозонов) одновременно находится во всех потенциально возможных точках пространства или энергетических состояниях.
Такое нестойкое положение называют суперпозицией. Поскольку содержание кванта неопределённо, то суперпозиция бозонов (условный «процесс») обязательно редуцируется до любой возможной устойчивой конфигурации фермиона с разрешенным местоположением и не нарушающим принцип сохранения количеством энергии (условное «событие»).
Когда физики говорят, что фотон это квант электромагнитного взаимодействия, то имеют в виду вот что.
На более высоком уровне обобщения (в теории электрослабого взаимодействия, где электромагнетизм, радиоактивность, оптические явления разные стороны одного и того же) квантовая суперпозиция бозонов не частица и не волна, не «событие» и не «процесс». Но нечто такое, что при определённых обстоятельствах проявляет свойства того и другого.
Следовательно, при падении света на сетчатку мы имеем дело не с потоком фотонов и не со световой волной, а с суперпозицией бозонов внешних и внутренних, составляющих связи между фермионами атомов и молекул светочувствительных клеток глаза.
Значит, в момент поляризации мембраны нейрона мы наблюдаем не движение электронов и не электромагнитную индукцию, а суперпозицию бозонов внешних и внутренних ответственных за перенос энергии между фермионами перемещающихся ионов.
Итак, ответ найден.
Структурными элементами мозга являются субатомные частицы, бозоны. Способы взаимодействия этих элементов следует понимать как квантовые суперпозиции и их результаты. Отсюда центральный тезис книги: мозг есть квантовая система.
Ортодоксально настроенные учёные, составляющие мейнстрим нынешней нейронауки, отвергают попытки описать мозг на микро-уровне с привлечением квантовой парадигмы. Они предпочитают оставаться на уровне классической электродинамики и не заглядывать в тёмный подвал, куда строители забыли провести электричество.
Их поддерживают «говорящие головы» и те, кто хотел бы до скончания времён обсуждать мозг исключительно в философских и/или психологических терминах. Они летают в облаках: у них искания и порывы в виде благородной миссии по воспитанию человечества.
Всё это очень мило. Но если мы всерьёз взялись за самопознание, то не худо бы исходить из актуального знания, а не пересказывать друг другу сказки вековой давности. Тем более, что квантовая теория является общепризнанной научной концепцией уже добрую сотню лет.
Нам остаётся пояснить, причём тут «бесконечность», соседствующая в названии этой подглавы с термином «квант».
Это очень просто. Особенность квантовой суперпозиции в том, что количество состояний (местоположений, значений импульса и пр.) участвующих в ней бозонов бесконечно. В науке бесконечностью ведает математика и, в частности, теория множеств.
Таким образом, суперпозицию структурных элементов мозга можно представить ещё и как математический объект бесконечное множество (подробнее см. главу 6).
Хаос и становление
Даже неспециалисту очевидно, что в нашем мозге постоянно происходит какая-то движуха.
Человек не может перестать думать или чувствовать. Воспоминания то всплывают, то исчезают; переплетаются в причудливые конструкции, состоящие из реальности и фантазии. От рождения и до смерти всегда, не исключая состояние сна в нормальном мозге бродят какие-то образы.
Если вы более-менее следите за новостями науки, то к самонаблюдению можете добавить факты. Например, явление т.н. «нейрогенеза» клетки мозга постоянно обновляются.
Что это за динамика, и откуда она берётся?
Нейроучёные пытаются определить это при помощи функциональных и визуальных методов: прежде всего, электроэнцефалографии и томографии.
В народе электроэнцефалографию (ЭЭГ) называет «шапочкой» из-за особенностей методики. К голове подводятся электроды, закрепленные на своеобразном шлеме из ткани или силикона.
«Шапочка» применяется для распознавания аномальных очагов биоэлектрической активности мозга. Например, при эпилепсии. У нормального мозга своя картина биопотенциалов, благодаря чему мы можем четко различить, скажем, бодрствование и сон.
Ядерная магнитно-резонансная томография (или просто «томография», ТГ) также уже знакома многим. Очень популярный метод в современной медицине.
На практике особенно важным является то, что ТГ позволяет увидеть состояние мозговых сосудов (проницаемость, степень расширения/сужения и пр.), а также общую гемодинамическую активность его отделов.
Некоторые полагают, что перманентный мониторинг мозга при помощи «шапочки» и томографии наше неизбежное будущее.
Дескать, со временем устройства уменьшатся до компактных размеров. Их станут носить на руках (?), как модные сегодня фитнес-браслеты, шагомеры и прочие «умные часы». Человек сможет следить за динамикой собственного мозга онлайн.
Возможно, так и произойдёт.
Вот, только извлекаемая посредством этих методов информация имеет примерно такую же диагностическую ценность, как частота пульса или температура. Это важные, но сильно обобщённые и усредненные, параметры.
ЭЭГ и ТГ нейробиологические градусники. Они демонстрируют общие симптомы процесса. Но ничего не говорят о его причинах.
Биопотенциалы, отраженные в электроэнцефалограмме, не что иное, как суммарные электромагнитные колебания клеток мозга. Ключевой характеристикой считается частота/длина волны. Различают диапазоны волн для физиологических состояний: скажем, для бодрствования и нескольких фаз сна.1
Но откуда берутся и как именно формируются диапазоны, «шапочка» не расскажет. Думаю, чтобы понять, спит человек или бодрствует, ЭЭГ не требуется.