ФИЗИКА ЕСТЕСТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА⁠⁠

Глава 2. 14-31 стр. из книги Еремин А. Л. Биофизика интеллекта и физика интеллектуальных систем. — Санкт-Петербург: Лань, 2024. — 116 с.

2.1. Наблюдатель снаружи интеллект-системы человека

Наблюдатель естественного интеллекта, вооруженный приборами, появился с открытиями физических методов изучения структур и функций мозга с помощью аппаратов. Открытые физиками новые методы позволили исследователям развивать нейронауки с формированием систем знаний нейрофизики, психофизики, нейроакустики, биофизики сложных систем, электрофизиологии, ядерной медицины, нейровизуализации, медицинской физики:
 1590 год – открытие микроскопа, благодаря которому в 1888 году Сантьяго Рамоном-и-Кахалем был открыт нейрон, развита нейронная доктрина - нервная система состоит из дискретных отдельных клеток;
 1895 – открытие В. Рентгеном X-ray (Нобелевская премия 1901), рентгеновские исследования (РИ), метод краниографии;
 1920-е – электроэнцефалография (ЭЭГ) - Х. Бергер;
 1951 – ультразвуковые исследования (УЗИ) - Д. Уайлд, нейросонография мозга;
 1970 - Д.Кул, М. Тер-Петросян позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) - мозга;
 1979 - компьютерная томография (КТ) А.Кормак, Г.Хаунсфилд (Нобелевская премия) – КТ мозга;
 1986 – электронная микроскопия (ЭМ) - Э. Руска (Нобелевская премия), с визуализацией нейронов и синапсов;
 2003 – магнитно-резонансная томография (МРТ) - П. Лотербур, П. Мэнсфилд (Нобелевская премия) – мозга, её разновидности – функциональная (фМРТ), диффузная (дМРТ)(рисунок 2-1).
Функциональная магнитно-резонансная томография (ФМРТ) (англ. Functional magnetic resonance imaging or functional MRI (fMRI) измеряет активность мозга путем выявления изменений, связанных с кровотоком. Этот метод основан на том факте, что мозговой кровоток и активация нейронов взаимосвязаны. Когда используется область мозга, приток крови к этой области также увеличивается.
Диффузионно-взвешенная магнитно-резонансная томография (ДВИ или ДВ-МРТ)— это использование определенных последовательностей МРТ, а также программного обеспечения, которое генерирует изображения на основе полученных данных и использует диффузию молекул воды для создания контраста на МРТ-изображениях. Особый вид,диффузионно-тензорная визуализация(DTI), диффузионная МРТ(дМРТ) используется для картирования трактографии белого вещества в головном мозге.
Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) — это функциональный метод визуализации, который использует радиоактивные вещества, известные как радиоактивные индикаторы, для визуализации и измерения изменений в метаболических процессах и других физиологических процессах, включая кровоток, в том числе в мозгу, региональный химический состав и поглощение.

Решающую роль в изучении нейрофизиологии мозга сыграли физики и инженеры, которые обеспечили ряд новых инструментов.Современные диагностические приборы для визуализации структур и функций в головном мозге, регистрации физиологических откликов и влияния на функции мозга также включают: ЭЭГ с увеличение электродов до 256, электрокортикография (ЭКоГ), однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ), магнитоэнцефалография (МЭГ), мультисрезовая компьютерная томография ангиография сосудов мозга (МСКТА), глубокая стимуляция мозга (ГСМ), транскраниальное электромагнитное сканирование (ТЭС), нейростимуляция в т.ч. стереотаксическая, транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС), функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS).

Медицинская визуализация – используется в ряде методов медицинской физики. Медицинская физика занимается применением концепцийи методов физики для профилактики, диагностики и лечения заболеваний человека с конкретной целью улучшения здоровья и благополучия человека.
Новые методы и приборы позволили уточнять структуры-функции интеллектуальных систем и их изменения в пространстве-времени, дали возможность определять: изменения структур нейронов важных для нейропластичности и интеллектуального творчества – открытие фактора роста нейронов (NGF) Р. Леви-Монтальчини (Нобелевская премия 1986); связь долговременной памяти с изменением количества синаптических связей, разрастанием (гиперплазией, пролиферацией) синапсов Э.Кандель (Нобелевская премия 2000). фМРТ позволила уточнить специализацию локусов мозга по функциям, в том числе образования "инсайта"; нейроны позиционирования (gridcell) (Нобелевская премия 2014)которые срабатывают через регулярные промежутки времени, когда идет перемещение по открытой местности, что позволяет понимать собственное положение в пространстве путем хранения и интеграции информации о местоположении, расстоянии и направлении.
В настоящее время, идет состязательное сотрудничество, имеющее неоднозначные критические оценки теорий сознания с сопоставлением "интегрированной теории информации" (IIT) и "глобальной теории нейронного рабочего пространства" (GNWT) с помощью фМРТ, магнитоэнцефалографии и электрокортикографии. Параллельно ведутся попытки изучения физических сигналов-носителей "кодов мозга" (neuralcoding) и кодирования скоростью, временем, фазой спайков и пр., вплоть до квантово-механического переноса электронов в нервной ткани.
В соответствии с современными исследованиями в мозге определены нейрональные основы интеллекта. Эмерджентность, способность к появлению новой мысли, идеи, инсайта, схемы, алгоритма действий, прогноза, принятию решений - связывают с повышенной активностью передней части верхней височной извилины правого полушария. Способность к творчеству с абстрактным синтезом новой информации, является как одной из отличительных черт интеллекта, так и пока нерешенной проблемой искусственного интеллекта. Сила воли - в условиях информационного бума, информационных перегрузок новое значение и актуальность принимает воля, с помощью которой при "многозадачности" демонстрируется пластичность нервной системы в узко-целенаправленном специализированном поиске важной информации и принятие решений. Области мозга, ответственные за то, что называют волевыми актами включают преддополнительную моторную кору (pre-SMA), переднюю префронтальную и теменную кору. Ранее, к областям, ответственные за волю, были отнесены частично передняя поясная кора, дополнительная моторная область и некоторые участки префронтальной коры. В мозге выделяют структуры, ответственные за сотрудничество - последовательная активация прилежащего ядра, хвостатого ядра, вентромедиальной лобной/орбитофронтальной коры и ростральной передней поясной коры; задняя верхняя височная борозда и соседнее височно-теменное соединение.

2.2. Развертка интеллект-систем во времени
Эволюция в пространстве-времени физических параметров интеллект-систем.
Информация, как сведенияи сообщения, стала восприниматься, рефлексироваться и перерабатываться с появлением нервных систем. Первые нервные системы для улучшения адаптации и получения преимуществ в борьбе за существование, при естественном отборе, в ходе био-эволюции появились (у многоклеточных животных Metazoa в эдиакарском периоде)~600 млн лет назад.
Род человека -Homo появился ~2,5 млн лет назад. По мнению антропологов уже первые виды Homo могли общаться с помощью гортанных звуков. В ходе эволюции с каждым видом закреплялись новые информационно-значимые компетенции – знания: по изготовлению орудий, гигиенически-значимые - добычи огня и захоронения усопших. Появление вида Homo sapiens ~50-300 тыс лет назад связывают с появлением способностей к абстрактно-синтетической деятельности по воспроизведению информации в виде творчества – наскальных рисунков.

Только в XXI веке по результатам множества квантификаций интеллект-систему мозга человека стало возможным описать по количеству составляющих её компонентов: ~10 в 11 степени нейронов, ~10 в 11 степени глиальных клеток, ~10 в 14 степени синапсов, общая длина соединений ~10в 12 степени м, ~100 видов нейро-медиаторов. Что позволило, обосновать многокомпонентность интеллектуальных систем, ноогенез – процесс их появления и эволюции, трансформации с появлением новых качеств, построить графики количественной развертки во времени.
Время развертки.Шкала времени на графике отражает, как время жизни человека, так и время от появления первых нервных систем у многоклеточных животных (Metazoa) в эдиакарском периоде (около 635—542 млн лет назад), до появления Homo sapiens – с общепризнанной в 1735 в "Системе природы" интеллектуальной системой (лат sapiens традиционно переводится на русск. "разумный", на англ. – wise"мудрый").
Эволюция количества компонентов. Интеллектуальные системы могут образовываться при достижении критических количеств составляющих их интеллектуальных компонентов и коммуникаций между ними. При достижении количества интеллектуальных компонентов n ≥ 1 млрд может наблюдаться феномен ноореволюции — перехода количественной развертки информационной системы в качественно новую автономно-интеллектуальную систему. Понятие, сформулированное к 2005 году: интеллектуальная система (ИС) - совокупность взаимодействующих между собой относительно элементарных структур и процессов, объединенных в целое выполнением функции интеллекта, несводимой к функции ее компонентов. Признаки И.С.: взаимодействует со средой и другими системами как единое целое; состоит из иерархии подсистем более низкого уровня.
Ноогенез при индивидуальном развитии (онтогенезе) мозга человека берет свое начало от 1—2 первичных эмбриональных клеток, увеличивающихся в количестве при дроблении и делении на стадиях морулы — бластулы — гаструлы, формирующих соответствующий зародышевый лепесток и его дифференцировку. Формируется нервная система зародыша. К моменту рождения объем головного мозга плода человека по некоторым данным достигает 375 см3, к 10 годам жизни — 1300 см3. Морфо-функциональное созревание структур мозга заканчивается к 13 годам и окончательное морфофункциональное становление относится к 16—17-летнему возрасту.
В 1889 году Сантьяго Рамоном-и-Кахалем был открыт нейрон, и в дальнейшем развита нейронная доктрина - концепция, согласно которой нервная система состоит из дискретных отдельных клеток.
Количество нейронов в мозге H. sapiens удалось подсчитать только в XXI веке - у взрослого человека насчитывается нейронов 86 миллиардов. Шкала калькуляции компонентов отражает: конечное количество нейронов в результате филогенеза и онтогенеза, которое удалось подсчитать C. Эркулано-Оузель, благодаря оригинальной методике ~86 миллиардов. Следует отметить, что подсчет проводился in vitro в опыте на 4-х мозгах взрослых.
Точные экспериментальные данные о количествах нейронов у новорожденных к настоящему времени отсутствуют. Ясно только то, что в эмбриогенезе закладка нервного ствола начинается от нескольких клеток.
Эволюция количества связей. Методы исследований связей и сотрудничества (cooperation).Актуальность изучения в этом направлении подтверждают как современные комплексные исследования сотрудничества, и связей информационных, генетических, обусловленного структурами на нейрональном уровне мозга, так и значение сотрудничества при развертке популяции человечества. В связи с этим нами был проведен анализ известных данных по эволюции количества связей для сотрудничества в интеллектуальных системах и информационном обществе. Связи, контакты между биологическими объектами, можно считать появившимися с многоклеточностью ~ 3-3,5 млрд. лет назад. Система скоростных связей специализированных клеток, передающих информацию с помощью электрических сигналов, — нервная система, за всю историю жизни возникла только в одной крупной эволюционной ветви: у многоклеточных животных (Metazoa) и появилась в эдиакарском периоде (около 635—542 млн лет назад).

Синапс – (греч. "соединение", "вместе"-"крепить") - был введен в 1897 году Чарльзом Шеррингтоном . В ходе эволюции (филогенез) количество связей между нейронами возрастало от одной до ~7000 синоптических связей каждого нейрона с другими нейронами в мозге человека. По некоторым подсчетам мозг трехлетнего ребенка имеет около 10 в 15 степени синапсов (1 квадриллион), при индивидуальном развитии (онтогенез) число синапсов уменьшается с возрастом до ~ 10 в 14 степени. По другим данным, расчетное количество неокортикальных синапсов в мужском и женском мозге снижается в течение жизни человека до ~1.2∙10 в 14 степени.
Графическая модель эволюции связей в естественной интеллектуальный системы создана и визуализирована.
Эволюция скорости передачи-обмена материальных объектов, физических сигналов-носителей информацией.Анализ показывает - увеличение скорости адаптации, рефлексии, движения, обмена веществом и информацией, которая возрастает на каждом новом уровне эволюции и организации биологических систем, при этом, приспособляемость (организма, популяции) улучшается с увеличением скорости реагирования (в т.ч. скорости связи между интел-компонентами) на изменения окружающей среды. Одноклеточный организм – скорость движения ионов через мембрану одноклеточного организма ~10 в –10 степени м/с, воды через мембрану ~10 в –6 степени м/с, внутриклеточного (цитоплазма) ~2х10 в –5 степени м/с; крови по сосудам многоклеточного организма ~0,05 м/с. В 1849 году впервые измерена скорость, с которой сигнал проходит по нервному волокну (в диапазоне 24,6 - 38,4 метра в секунду) Гельмгольцем. По современным данным измеренные скорости нервного импульса составляют 0,5 - 120 м/с. Скорость звука и скорость света были определены ранее в XVII веке. К XXI веку стало ясно, что они определяют в основном скорости физических сигналов-носителей информации, между интелсистемами и их компонентами: звук (голос, аудиосигнал) ~ 300 м/с; квантово-электронные ~3∙10 в 8 степени м/сек (скорость радиоэлектромагнитных волн, электрического тока, светового, оптического потока, телекоммуникационного взаимодействия, в т.ч. через TV, телефонию, распространившийся интернет, и появившееся множество портативных устройств).К этому следует добавить, наличие в ЦНС электрических синапсов — мест высокоспециализированных контактов (щелевых контактов) между нейронами, где происходит прямое перетекание электрических токов от одного нейрона к другому.
Графическая модель эволюции скоростей создана и визуализирована.
Результаты количественных измерений структур-функций интеллект-системы человека могут быть объединены в ноометрию.
Однако, где расположены реперные точки в шкалах отсчета трансформации качества-квалиа (лат qualia какого сорта, какого рода) "Не интеллект – Интеллект". Общепринятые формулировки качественных характеристик и понятий изложены в утвержденной в 2001 году Международной классификации функционирования Всемирной организации здравоохранения (ICF, WHO) - интеллектуальные функции (код b117), умственные функции (b110-b139, b140-189). Множественность феноменов интеллекта, продолжает выделяться и изучаться на современном этапе: емкость рабочей памяти 7 ± 2, способность к прогнозу, иерархическая (6 уровней – слоев нейронов) система анализа информации, особенности сознания, памяти, лимиты интеллекта, появление инсайта, скрытое сознание по данным фМРТ и пр.

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЙ ОБ ИНТЕЛЛЕКТЕ В НАУКАХ
поступления-обработки-производства информации мозгом, его структур-функций
К настоящему времени сложности изучения интеллект-системы головного мозга человека можно охарактеризовать: ~10 в 11 степени нейронов, ~10 в 11 степени глиальных клеток, ~10 в 14 степени синапсов, общая длина соединений ~10 в 12 степени м, ~100 видов нейро-медиаторов. Между тем, изучения структур и функций, моделирования, продолжаются в том числе с помощью современных физических методов и прибором, а также компьютерных технологий.
Современное представление системы знаний нейронаук о формировалось учеными-исследователями не одно столетие......

Полный текст книги доступен:
на сайте издательства https://lanbook.com/catalog/psikhologicheskie-nauki/biofizik...
на станице автора https://www.researchgate.net/publication/400155480_BIOFIZIKA...