Физика функциональной специализации полушарий мозга

[druggist]

На тему межполушарной ассимметрии мозга написано довольно много, в основном это описание и обобщение психологических опытов. Некоторые ученые считают, что функциональная ассиметрия имеет глубокие эволюционные корни и ее можно наблюдать у животных. Если коротко резюмировать, то оказывается, что левое полушарие воспринимает отдельные детали образа, и затем строит его целостную картину. Правое же полушарие, наоборот, вначале воспринимает образ целиком, затем анализирует его по частям, дробя на отдельные состовляющие.
Можно ли построить предельно обобщенную модель, ухватывающую суть явления?. Примем, что воспринимающая система(органы чувств) и кора полушарий имеют одинакову структуру и в целом симметричны относительно правого и левого. Откуда же берутся столь существенные функциональные различия? Возможно, тут стоит привлечь некоторые идеи из физики запоминания и распознавания образов. Не будем привязываться к конкретным реализациям этих идей (нейронная сеть Хопфилда, например), а сформулируем их в терминах нелинейной динамики. Пусть имеется динамическая система(нечто функционирующее во времени, т.е. имеющее набор параметров, изменяющихся во времени по определенным(возможно очень сложным законам). Эти параметры, динамические переменные, образуют т.н. фазовое пространство, а траектория - положение точки с координатами, равными значениям параметров( динамических переменных) - состояние системы в определенный момент времени. Как правило, фп системы разбивается на зоны притяжения аттракторов -"притягивающих множеств в фп" ( в простейших случаях, точечных или предельных циклов). Аттракторы - это т.н."устойчивые" состояния системы, в кторых при НЕ СЛИШКОМ БОЛЬШИХ отклонениях(напр.,внешний шум) система остается бесконечно долго (пример, шарик в ложбинке).
Как можно изменить состояние системы, т.е., переместиться с одного аттрактора на другой? Можно слегка изменить фазовый портрет системы при помощи "управляющих параметров" . В их качестве могут, например, выступать постоянные коэффициенты в динамических уравнениях(или проводимость синапсов в моделях нейронных сетей). Слегка изменяя их, можно добиться, например, уменьшения барьера между двумя ложбинками, так чтобы шарик сам скатывался из менее глубокой в более глубокую ямку. Применительно к нейронам это может быть изменение концентрации нейромедиатора меняющего проводимость отдельных групп синапсов. Но этот способ пока нас не будет интересовать.
Другим способом может служить резкое и кратковременное изменение значений динамических переменных системы внешним образом(не по правилам системы) после чего система предоставляется самой себе. Фазовая траектория как-бы перебрасывается из одной точки фп в другую и может в принципе попасть в область притяжения нового аттрактора, т.е. система необратимо перейдет в новое состояние. Конечно, изменить значения сразу всех динамических переменных, если их очень много, сложно. Но мы можем изменить значения только их небольшой части. На этом основана идея распознавания образов. Образ - эта совокупность огромного числа определенных значений параметров, записанных в качестве аттрактора фп дс(о процедуре записи здесь не будем).Применительно к мозгу это могут быть т.н. сенсорные нейроны, получающие сигналы от органов чувств и составляющие малую долю от общего числа нейронов в мозге. Таким образом, по весьма малой совокупности признаков определяется полновесный многранный образ. или же в ответ на ключевой стимул развертывается весьма сложная программа поведения животного.
И тут конечно же возникает проблема однозначного соответствия ключевого стимула и образа. Чем больше образов-аттракторов записано, тем меньше их области притяжения и при этом воздействие ключевого стимула уже не будет однозначно переводить систему в определенное состояние, поскольку велика будет ЗАВИСИМОСТЬ ОТ ПРЕДЫДУЩЕГО(до переброски) состояния. Поясним на примере трехмерного фп: фиксируя одну координату, мы перебрасываем траекторию дс в фп в точку на плоскости, перпендикулярной этой координате, не меняя значения двух остальных координат. Если эту плоскость пересекают трехмерные области притяжения нескольких аттракторов, то, фиксация значения одной координаты не будет однозначно определять в какой аттрактор перейдет система, многое будет зависеть в каком состоянии находилась система в предыдущий момент.
Теперь от вводных замечаний можно перейти к существу вопроса.

[korona]

druggist в сообщении #238909 писал(а):

Теперь от вводных замечаний можно перейти к существу вопроса.

А в чём существо вопроса!?

[druggist]

korona в сообщении #246238 писал(а):

А в чём существо вопроса!?

Как в чем? В причине межполушарных различий..Но объяснение еще не совсем созрело

[korona]

druggist в сообщении #246320 писал(а):

В причине межполушарных различий..

http://cerebral-asymmetry.narod.ru/Sergienko.htm подробная монография о функциональной ассиметрии полушарий мозга.

[druggist]

Я могу привести с десяток прекрасных монографий на эту тему. Но дело в том, что с точки зрения физики этот вопрос похоже не рассматривался. Налицо явно различные способы обработки информации левым и правым полушарием, этот вывод сделан в сотнях работ нейрофизиологов и считается общепризнанным, как это понять на качественном физическом уровне, вот в чем вопрос...

[GAA]

Подход, подобный описанному в открывающем тему сообщении, излагается в книге
Хакен Г. Принципы работы головного мозга: Синергетический подход к активации мозга, поведению и когнитивной деятельности. — М.: ПЕР СЭ, 2001 (Перевод книги H. Haken Principles of brain functioning, Springer)

В этой книге приводятся примеры построения моделей, описывающих некоторые частные особенности. Описания функциональной асимметрии в этой книге я не нашел. Однако чтение этой книги позволит, на мой взгляд, предположить: позволит ли такой подход получить объяснение функциональной асимметрии.

(Несколько слов об этой книге)

1. Изложение в книге очень нестрогое и туманное. Это вообще свойственно книгам по синергетике и особенно книгам Хакена,

2. Изложение в книге довольно небрежное. Например, на с. 53 можно найти: «Принцип подчинения утверждает, что
$q_i = f_i(\xi_1, \ldots , \xi_M).$ (4.10)
Словами соотношение (4.10) можно выразить так: состояние $q_j$ компоненты $j$ однозначно определяется параметрами порядка. В частности, это утверждение выполняется и в том случае, если параметры порядка зависят от времени.»
Тогда как, из текста до этой фразы и после неё следует, что (4.10) выполняется не во все моменты времени, а после «переходного периода».

3. Я читал электронную версию книги. Возможно только в электронной, но может и в бумажной версии, имеется масса опечаток. Например, на с.60 написано:
« ...
$d\xi /dt = \alpha \xi - \beta \xi^3 + F(t)$ (5.1)
...
Потенциал $V$ позволяет записать уравнение (5.1) в виде
$d \xi /dt = -\partial V / \partial \xi + F(t)$, (5.2)
где
$V = - \frac {\alpha}{2}\xi^3 + \frac {\beta}\xi^{4}$ (5.3)».
В первом слагаемом потенциала, очевидно, степень должна быть не третьей, а второй.

Или на с. 78 «Кроме того, левый и правый указательные пальцы играют симметричную роль, т.е. потенциал $V$ должен быть периодическим.» Должно быть: «потенциал должен быть четным.»

Помимо указанной выше книги, есть еще книга
Хакен Г., Хакен-Крелль М. Тайны восприятия. — М.: Институт компьютерных исследований, 2002.
В этой книге еще меньше формул, еще больше слов. Вода, другими словами. Во многом она повторяет первую книгу.

[wimacs]

druggist в сообщении #336319 писал(а):

Я могу привести с десяток прекрасных монографий на эту тему. Но дело в том, что с точки зрения физики этот вопрос похоже не рассматривался. Налицо явно различные способы обработки информации левым и правым полушарием, этот вывод сделан в сотнях работ нейрофизиологов и считается общепризнанным, как это понять на качественном физическом уровне, вот в чем вопрос...

Допустим органы чувств-сенсор как чувствительный малоинерционный преобразобатель переменных потоков энергии окружающей среды(например электромагнитных волн в химический сгнальный потенциал нервных импульсов).
Если среда представляет собой дискретно-аналоговую энергетическую систему, вероятно достоверно оно будет отображатся в функиональном устройстве обрабатывающем по своим законам отдельно дискретную и аналоговую составляющие потоки энергии, что приводит к специализации полушарий. А изменения во времени соотношения детерминированных и нелинейных адатапционных параметров окружающая среда\ организм, к переменной доминантности полушарий.

[Circiter]

А как вам такая идея. Сразу скажу, что обсуждаемой темой я шибко-то не интересовался и с упомянутыми выше источниками дела не имел. Сама идея проста и наивна, но вроде-бы может использоваться для построения удовлетворительной модели пространственной организации мозгов.

В основе лежит предположение о том, что конструкция мозга подразумевает топологию полного графа, в которой каждый центр связан со всеми остальными и расположен в соответствии с принципом минимизации попарных расстояний между центрами (например, в целях увеличения средней скорости взаимодействия между различными частями мозга). Частичным подтверждением этой гипотезе является само компактное расположение вещества мозга и даже форма этого органа.

Роль второго ключевого момента в предлагаемой модели играет гипотеза о неравноценности связей некоторого выбранного центра с другими. Вообще, совокупность функциональных центров может быть смоделирована полным орграфом со взвешенными дугами. Под полнотой понимается связанность каждой вершины со всеми остальными в обоих направлениях; при этом ориентированность нужна для возможности назначить каждому направлению свою цену. Чем выше цена, тем короче и, соответственно, быстрее должен быть соответсвующий пучек нервных отростков. Например, слуховой центр может быть связан с другими центрами более дешевыми связями чем зрительный центр, которому требуется более интенсивно работать с большими объемами информации.

Фактически, такой граф можно реализовать в виде кулоновско-гуковской конструкции из электронов, связанных пружинками с различной жесткостью. Свободная эволюция такой системы в демпфирующей вязкой среде приведет к установлению устойчивого пространственного расположения узлов. Простые соображения и непосредственное моделирование могут показать, что причин для возникновения каких-либо особых симметрий в такой конструкции, вообще говоря, нет. Тем более, нет особых причин для билатеральной (межполушарной) симметрии.

Важно, что предложенная пружинная модель может иметь огромное количество локальных энергетических минимумов, соответсвующих различным возможным функциональным картам мозга. Но в реальном мозге есть также и множество ограничений, делающих эти минимумы неравноправными. Одно из таких ограничений -- непрерывное проецирование рецепторных полей тела на кору (под непрерывностью понимается сохранение топологии -- если два рецетора находятся близко на теле, то и соответсвующие участки коры расположены близко друг к другу).

Есть ли в этом хоть какой-то смысл?

[Circiter]

Что насчет специализации полушарий, то, думаю, эта модель может объяснить и её, если присвоить большую стоимость "межполушарной магистрали". Идиотская аналогия: представьте, что полушария -- это два города, в одном есть рудник и поэтому в городе есть все для поддержки добычи (город специализируется на добывающей промышленности), а в другом есть электростанция и ещё какие-нибудь объекты, необходимые для функционирования перерабатывающего завода (в результате чего этот второй город специализируется на перерабатывающей промышленности).

Можно ещё пофантазировать на тему применимости одной старой теории двуслойного (двухпалатного) ума aka bicameral mind. Я точно не помню её суть, но вольная интерпретация может быть такой: предполагается, что у древних людей сознание делилось на два слоя и при достаточном развитии интеллекта, один слой, не имевший прямого контакта с внешним миром мог себя проявлять, в том числе и вербально, что обуславливало, например, появление первых религий (тренировка ума вызывала "просветление", т.е. появление разумных голосов, вещих видений и так далее).

Возможно, эти слои не требовали очень широкого информационного канала для взаимодейтсвия друг с другом, и поэтому они могли физически размещаться в различных полушариях. Один слой, более активно взаимодействующий с реальностью испытывал влияние другого слоя, т.е., как я уже сказал, этот слой слышал голоса и пр., что вызывало постоянные конфликты с логикой и приводило к развитию "иррационального", абстрактного и метафоричного мышления. Другой же слой, наоборот, не испытывал иррационального вмешательства и функционировал более логично, а с учетом его некоторой изолированности от реальности ему приходилось дейстовать ещё и в условиях ограниченной информации, приспосабливаясь таким образом использовать её по-максимуму (выявлять едва заметные закономерности, выстраивать четкие теории, ну и т.д.). Вот вам и деление на рациональное и не рациональное полушария (в чем лично я сомневаюсь). :)

P.S.: В-принципе, это конечно на бред похоже, но в русле заданного топикстартером тона дискуссии, такие рассуждения здесь, имхо, вполне приемлемы. :)

[druggist]

Circiter в сообщении #413151 писал(а):

P.S.: В-принципе, это конечно на бред похоже, но в русле заданного топикстартером тона дискуссии, такие рассуждения здесь, имхо, вполне приемлемы. :)

А что конкретно в русле заданного топикстартером тона дискуссии навело Вас на мысль побредить в данной теме?

[Munin]

druggist в сообщении #336319 писал(а):

Но дело в том, что с точки зрения физики этот вопрос похоже не рассматривался.

Написанное в первом сообщении сяо ни малейшего отношения к физике не имеет.

[druggist]

Munin в сообщении #418103 писал(а):

Написанное в первом сообщении сяо ни малейшего отношения к физике не имеет.

Меня ваше мнение по затронутой здесь междисциплинарной проблеме ни в малейшей степени не интересует

[Munin]

Меня ваше тоже, я всего лишь хочу, чтобы вы слово "физика" понапрасну не трепали.

[druggist]

Черт с вами, пусть не физика, пусть косноязычный бред, только не лезьте. Мне ваши пошлости пополам с назиданиями совершенно ни к чему.

[Circiter]

2druggist

Цитата:

А что конкретно в русле заданного топикстартером тона дискуссии навело Вас на мысль побредить в данной теме?

Ну вы же сами начали излагать вашу модель функциональной специализации полушарий с точки зрения теории динамических систем и оборвали рассказ на самом интересном месте. Вот я и подумал, что сим декларируется открытость темы для отрывочных идей. Поймите правильно, злого умысла не было. :) И, кстати, вы бы по-существу прокомментировали бы прожинную модель-то, там хоть какая-то физика (максимизация скорости передачи информации по нервным путям).