зачем нужны перехваты ранвье
РАНВЬЕ ПЕРЕХВАТ
Смотреть что такое «РАНВЬЕ ПЕРЕХВАТ» в других словарях:
ранвье перехват — (L. A. Ranvier) см. Перехват узла … Большой медицинский словарь
перехват узла — (isthmus nodi, LNH; син. Ранвье перехват) участок истончения оболочки миелинового нервного волокна, соответствующий границе между леммоцитами (шванновскими клетками) … Большой медицинский словарь
Ранвье́ перехва́т — (L.A. Ranvier) см. Перехват узла … Медицинская энциклопедия
Перехват Ранвье (Node Of Ranvier) — сужение миелинового нервного волокна, образующееся на границе между двумя соседними шванновскими клетками. В перехвате отсутствует миелиновая оболочка. Источник: Медицинский словарь … Медицинские термины
ПЕРЕХВАТ РАНВЬЕ — (node of Ranvier) сужение миелинового нервного волокна, образующееся на границе между двумя соседними шванновскими клетками. В перехвате отсутствует миелиновая оболочка … Толковый словарь по медицине
Перехва́т узла́ — (isthmus nodi, LNH; син. Ранвье перехват) участок истончения оболочки миелинового нервного волокна, соответствующий границе между леммоцитами (шванновскими клетками) … Медицинская энциклопедия
МИЕЛИНОВАЯ ОБОЛОЧКА — (от греч. myelos мозг), оболочка, окружающая отростки нервных клеток в мякотных волокнах. М. о. состоит из белого белково липидного комплекса миелина, в периферич. ЦНС образуется вследствие многократного обёртывания отростка шванновской клеткой… … Биологический энциклопедический словарь
Нейрон — (от греч. néuron нерв) неврон, нервная клетка, основная функциональная и структурная единица нервной системы (См. Нервная система); принимает сигналы, поступающие от рецепторов и др. Н., перерабатывает их и в форме нервных импульсов… … Большая советская энциклопедия
НЕЙРОН — (от греч. neuron жила, нерв), нервная клетка, нейроцит, осн. структурная и функциональная единица нервной системы, обладающая специфич. проявлениями возбудимости. Способен принимать сигналы, перерабатывать их в нервные импульсы и проводить к… … Биологический энциклопедический словарь
НЕРВНОЕ ОКОНЧАНИЕ — (terminatio nervi), специализированное образование в концевом разветвлении отростков нейрона, лишённых миелиновой оболочки; служит для приёма или передачи сигналов. Чувствительные, или сенсорные, Н. о,, осуществляющие приём сигналов (рецепцию),… … Биологический энциклопедический словарь
Обёртка для аксона
Аксон — дело тонкое. Ему постоянно нужна поддержка, осуществляемая шванновскими клетками и олигодендроцитами.
Автор
Редакторы
Очень часто при описании нервной системы используются «электрические» термины: например, нервы сравниваются с проводами. Это потому, что по нервному волокну действительно перемещается электрический сигнал. Каждому из нас известно, что оголенный провод опасен, ведь он бьет током, и по этой причине люди пользуются изоляционными материалами, не проводящими электричество. Природе тоже не чужда техника безопасности, и нервные «провода» она обматывает своим собственным изолирующим материалом — миелином.
Сложная обёртка
Миелин окружает отростки нервных клеток, изолируя их от внешнего воздействия. Это необходимо для более надежной и быстрой передачи сигнала по нервной системе. Благодаря изоляции нервного волокна электрический сигнал не рассеивается и добирается до места назначения без помех. Скорость прохождения сигнала по миелиновым и безмиелиновым волокнам может отличаться на три порядка: от 70 до 140 м/с и от 0,3 до 0,5 м/с соответственно.
По сути миелин — это клеточная мембрана глиальных клеток, многократно обмотанная вокруг аксона. Сама мембрана на 70–75% состоит из липидов и на 25–30% — из белков. В периферической нервной системе донором мембран становятся шванновские клетки, а в центральной — олигодендроциты. Эти клетки бережно обматывают своими мембранами ценные каналы связи, чтобы обеспечить надежное взаимодействие нервной системы и периферических органов. Миелин покрывает нервное волокно не целиком: существуют промежутки между наслоениями миелина, называемые перехватами Ранвье (рис. 1). Есть прямая зависимость между расстоянием от одного промежутка до другого и скоростью распространения нервного импульса по волокну: чем больше расстояние между перехватами Ранвье, тем выше скорость передачи сигнала в нерве [1].
Рисунок 1. Нервное волокно, обернутое миелином. Видны ядра шванновских клеток (nucleus of Schwann cell) и перехваты Ранвье (nodes of Ranvier) — участки аксона, которые не покрыты миелиновой оболочкой.
Если говорить о белках, входящих в состав миелина, то надо уточнить, что это не только простые белки. В миелине встречаются гликопротеины — белки, к которым присоединены короткие углеводные последовательности. Важной составляющей миелина является главный структурный белок миелина (myelin basic protein, MBP), впервые выделенный около 50 лет назад. MBP — это трансмембранный белок, который может многократно «прошивать» липидный слой клетки. Его различные изоформы (рис. 2) кодируются геном под названием Golli (gene in the oligodendrocyte lineage). Структурной основой миелина служит изоформа массой 18,5 килодальтон [2].
Рисунок 2. Различные изоформы основного белка миелина (MBP) создаются на основе одного и того же гена. Например, для синтеза изоформы массой 18,5 кДа используются все экзоны, кроме экзона II.
В состав миелина входят сложные липиды цереброзиды. Они представляют собой аминоспирт сфингозин, соединенный с жирной кислотой и остатком углевода. В синтезе липидов миелина принимают участие пероксисомы олигодендроцитов. Пероксисомы — это липидные пузырьки с различными ферментами (в общей сложности известно около 50 видов пероксисомных энзимов). Эти органеллы занимаются, в частности, β-окислением жирных кислот: жирных кислот с очень длинной цепью (very long chain fatty acids, VLCFA), некоторых эйкозаноидов и полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК, polyunsaturated fatty acids, PUFAs). Поскольку миелин может содержать до 70% липидов, пероксисомы крайне важны для нормального метаболизма этого вещества. Они используют N-ацетиласпартат, вырабатываемый нервной клеткой, для постоянного синтеза новых липидов миелина и поддержания его существования. Кроме этого, пероксисомы принимают участие в поддержании энергетического метаболизма аксонов [3].
Важная обёртка
Миелинизация (постепенная изоляция нервных волокон миелином) начинается у людей уже в эмбриональном периоде развития. Первыми этот путь проходят подкорковые структуры. В течение первого года жизни происходит миелинизация отделов периферической и центральной нервной системы, отвечающих за двигательную активность. Миелинизация участков головного мозга, регулирующих высшую нервную деятельность, заканчивается к 12–13 годам. Из этого видно, что миелинизация тесно связана со способностью отделов нервной системы осуществлять специфические для них функции. Вероятно, именно активная работа волокон до рождения запускает их миелинизацию.
Дифференцировка клеток — предшественниц олигодендроцитов зависит от ряда факторов, связанных с работой нейронов. В частности, работающие отростки нейронов могут выделять белок нейролигин 3, который способствует пролиферации и дифференциации клеток-предшественниц [4]. В дальнейшем созревание олигодендроцитов происходит за счет ряда других факторов. В статье с характерным названием «Насколько велик миелинизирующий оркестр?» описывается происхождение олигодендроцитов в разных частях мозга [5]. Во-первых, в различных частях мозга олигодендроциты начинают созревать в разное время. Во-вторых, за их созревание отвечают разные клеточные факторы, что тоже зависит от региона нервной системы (рис. 3). У нас может возникнуть вопрос: а сходны ли между собой олигодендроциты, появившиеся с таким расхождением в стартовых данных? И насколько схож у них миелин? В целом, авторы статьи считают, что между популяциями олигодендроцитов из разных участков головного мозга действительно существуют различия, и обусловлены они во многом именно местом закладки клеток, воздействием на них окружающих нейронов. И всё же типы миелина, синтезируемые разными пулами олигодендроцитов, не имеют настолько больших отличий, чтобы они не были взаимозаменяемыми.
Рисунок 3. Различия во времени закладки олигодендроцитов в разных отделах головного мозга и в клеточных факторах, влияющих на их развитие.
Сам процесс миелинизации нервных волокон в центральной нервной системе происходит следующим образом (рис. 4). Олигодендроциты выпускают несколько отростков к аксонам разных нейронов. Входя с ними в контакт, отростки олигодендроцитов начинают оборачиваться вокруг них и расползаться по длине аксона. Количество оборотов постепенно увеличивается: в некоторых участках ЦНС их число доходит до 50. Мембраны олигодендроцитов становятся всё более тонкими, распространяясь по поверхности аксона и «выдавливая» из себя цитоплазму. Чем раньше слой миелина был обернут вокруг нервного окончания, тем более тонким он будет. Самый внутренний слой мембраны остается довольно толстым — для осуществления метаболической функции. Новые слои миелина наматываются поверх старых, перекрывая их так, как показано на рисунке 4 — не только сверху, но и увеличивая площадь аксона, покрытую миелином.
Рисунок 4. Миелинизация нервного волокна. Мембрана олигодендроцита наматывается на аксон, постепенно уплотняясь с каждым оборотом. Внутренний, прилегающий к аксону слой мембраны остается относительно толстым, что необходимо для выполнения метаболической функции. На разных частях рисунка (а-в) с разных ракурсов показано постепенное наматывание новых слоев миелина на аксон. Красным цветом выделен более толстый, метаболически активный слой, синим — новые уплотняющиеся слои. Внутренний слой миелина (inner tongue на части б) охватывается всё новыми и новыми слоями мембраны не только сверху, но и по бокам (в), вдоль аксона.
Миелинизация нервных волокон олигодендроцитами также значимо зависит от белка нейрегулина 1. Если он не воздействует на олигодендроциты, то в них запускается программа миелинизации, не учитывающая активность нервной клетки. Если же олигодендроциты получили сигнал от нейрегулина 1, то далее они начнут ориентироваться на работу аксона, и миелинизация будет зависеть от интенсивности выработки глутамата и активации им специфических NMDA-рецепторов на поверхности олигодендроцитов [6]. Нейрегулин 1 — ключевой фактор для запуска процессов миелинизации и в случае шванновских клеток [7].
Изменчивая обёртка
Миелин постоянно образуется и разрушается в человеческом организме. На синтез и распад миелина могут влиять факторы, связанные с особенностями внешней среды. Например, воспитание. С 1965 по 1989 год Румынией руководил Николае Чаушеску. Он установил жесткий контроль над репродуктивным здоровьем и институтом брака в своей стране: усложнил процедуру развода, запретил аборты и ввел ряд стимулов и льгот для женщин, имевших более пяти детей. Итогом этих мер стало ожидаемое повышение рождаемости. Вместе с рождаемостью увеличилось количество криминальных абортов, не добавивших здоровья румынкам, и возросло количество детей-отказников. Последние воспитывались в детских домах, где с ними не очень-то активно общался персонал. Румынские дети в полной мере ощутили на себе то, что называется социальной депривацией — лишение возможности полноценного общения с другими людьми. Если речь идет о маленьком ребенке, то следствиями социальной депривации станут нарушение формирования эмоциональных привязанностей и расстройство внимания. Когда режим Чаушеску пал, западным ученым предстояло в полной мере оценить результат социальной политики этого диктатора. Румынских детей, имеющих выраженные проблемы со вниманием и установкой социальных контактов, впоследствии стали называть детьми Чаушеску.
Кроме различий при выполнении нейропсихологических тестов, у детей Чаушеску по сравнению с детьми, не находившимися в таких условиях, отличалось даже строение головного мозга [8]. При оценке состояния белого вещества мозга ученые используют показатель фрактальной анизотропии. Он позволяет оценить плотность нервных волокон, диаметр аксонов и их миелинизацию. Чем больше фрактальная анизотропия, тем разнообразнее волокна, которые встречаются в этой области мозга. У детей Чаушеску отмечалось снижение фрактальной анизотропии в пучке белого вещества, соединяющего височную и лобную доли в левом полушарии, то есть связи в этом регионе были недостаточно сложными и разнообразными, с нарушениями миелинизации. Такое состояние связей мешает нормальному проведению сигналов между височной и лобной долями. В височной доле находятся центры эмоционального реагирования (миндалина, гиппокамп), а орбитофронтальная кора лобной доли также связана с эмоциями и принятием решений. Нарушение формирования связей между этими отделами мозга и проблемы в их работе в итоге приводили к тому, что выросшие в детдомах дети испытывали трудности в установлении нормальных отношений с другими людьми.
На миелинизацию также может влиять и состав еды, которую дают ребенку. При белково-энергетической недостаточности питания отмечается снижение образования миелина. Недостаток жирных кислот тоже отрицательно сказывается на синтезе этого ценного вещества, так как оно больше чем на 2/3 состоит из липидов. Дефицит железа, йода и витаминов группы В приводит к снижению образования миелина [9]. В основном эти данные были получены при изучении лабораторных животных, но история, к сожалению, дала людям возможность оценить влияние недостатка еды и на формирующийся мозг ребенка [10]. Голодная зима (голл. hongerwinter) 1944–1945 гг. в Нидерландах привела к тому, что родилось множество детей, чьи матери плохо питались. Оказалось, что в условиях голодания мозг этих детей формировался с нарушениями. В частности, наблюдалось большое количество нарушений именно в белом веществе, то есть возникали проблемы с формированием миелина. В итоге это приводило к разнообразным психическим расстройствам.
Поврежденная обёртка
Рисунок 5. Нарушение чувствительности по полиневритическому типу. Название «носки — перчатки» связано с тем, что анатомические зоны, соответствующие поражению нервов, похожи на области, покрываемые этими предметами одежды.
Как мне кажется, для человеческого организма вполне подходит следующее правило: если есть орган, значит, к нему должна быть болезнь. В принципе, это правило можно расширить до молекулярных процессов: есть процесс — есть и болезни, связанные с нарушением этого процесса. В случае с миелином это демиелинизирующие заболевания. Их довольно много, но подробнее я расскажу о двух — синдроме Гийена-Барре и рассеянном склерозе. При этих расстройствах повреждение миелина приводит к нарушению адекватного проведения сигнала по нервам, что и обуславливает симптомы болезни.
Синдром Гийена-Барре (СГБ) — это заболевание периферической нервной системы, при котором происходит разрушение миелиновой оболочки, формируемой шванновскими клетками. СГБ является классическим аутоиммунным заболеванием. Как правило, ему предшествует инфекция (часто — вызванная микробом Campylobacter jejuni). Присутствие различных возбудителей в организме человека запускает аутоиммунное повреждение миелина нервных волокон T- и B-лимфоцитами. Клинически это проявляется мышечной слабостью, нарушением чувствительности по типу «носки — перчатки» (полиневритический тип) (рис. 5). В дальнейшем мышечная слабость может нарастать вплоть до полного паралича конечностей и поражения туловищной мускулатуры. Поражения чувствительной нервной системы также могут быть разнообразны: от снижения способности различать собственные движения (нарушение глубокой чувствительности) до выраженного болевого синдрома. При тяжелых формах СГБ главную опасность представляет потеря способности к самостоятельному дыханию, требующая подключения к аппарату искусственной вентиляции легких (ИВЛ). Для лечения СГБ в настоящее время используют плазмаферез (очистку плазмы от вредных антител) и внутривенные вливания препаратов человеческого иммуноглобулина для нормализации иммунного ответа. В большинстве случаев лечение приводит к стойкому выздоровлению.
Рассеянный склероз (РС) заметно отличается от СГБ. Во-первых, это демиелинизирующее заболевание приводит к поражению центральной нервной системы, то есть затрагивает миелин, синтезируемый олигодендроцитами. Во-вторых, с причинами РС до сих пор много неясного: слишком большое разнообразие генетических и средовых факторов задействовано в патогенезе заболевания. Принципиальный момент в запуске РС — нарушение непроницаемости гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) для иммунных клеток. В норме ткань мозга отгорожена от всего остального организма этим надежным фильтром, который не пропускает к ней множество веществ и клеток, в том числе иммунных. ГЭБ появляется уже в эмбриональном периоде развития, изолируя ткань мозга от формирующейся иммунной системы. В это время иммунная система человека «знакомится» со всеми существующими тканями, чтобы в дальнейшем, при взрослой жизни, не нападать на них. Мозг и ряд других органов остаются «не представленными» иммунной системе. При нарушении целостности ГЭБ иммунные клетки получают возможность для атаки незнакомых ей тканей мозга. В-третьих, РС отличается более тяжелыми симптомами, которые требуют других терапевтических подходов. Симптоматика зависит от того, где локализуются повреждения нервной системы (рис. 6 и 7). Это может быть шаткость походки, нарушения чувствительности, различные когнитивные симптомы. Для лечения РС используются высокие дозы глюкокортикоидов и цитостатики, а также препараты интерферона и специфические антитела (натализумаб). По-видимому, в дальнейшем будут развиваться новые методы лечения РС, основанные непосредственно на восстановлении миелиновой оболочки в поврежденных участках мозга. Ученые указывают на возможность трансплантации клеток — предшественниц олигодендроцитов или усиления их роста за счет введения инсулиноподобного фактора роста или тиреоидных гормонов [11]. Однако это еще впереди, а пока неврологам недоступны более «молекулярные» методы лечения.
Рисунок 6. Очаги поражения центральной нервной системы при рассеянном склерозе на МРТ выглядят как белые бляшки.
Рисунок 7. В зависимости от места поражения нервной системы при рассеянном склерозе может быть разная симптоматика: от тремора и атаксии при повреждении мозжечка до эмоциональных расстройств при локализации очагов в лобных долях.
Нейронные кубиты или как работает квантовый компьютер мозга
Указаны физические процессы, протекающие в мембранах нейронов в гиперзвуковом диапазоне. Показано, что эти процессы могут служить основой для формирования ключевых элементов (кубитов) квантового компьютера, каковым является информационная система мозга. Предлагается создать квантовый компьютер на тех же физических принципах, на которых работает мозг.
Материал подаётся в качестве гипотезы.
Введение. Постановка проблемы
Основополагающая идея, которая лежит в основе данного вывода, была опубликована четверть века назад в журнале «Радиофизика» [2]. Суть идеи заключалась в том, что в отдельных участках нейтронов, а именно, в перехватах Ранвье, генерируются когерентные акустоэлектрические колебания с частотой
5*10 10 Гц, и данные колебания служат главным носителем информации в информационной системе мозга.
В данной работе показано, что акустоэлектрические колебательные моды в мембранах нейронов способны выполнять функцию кубитов, на основе которых построена работа информационной системы мозга, как квантового компьютера.
Цель работы
Данная работа преследует 3 цели:
1) привлечь внимание к работе [2], в которой еще 25 лет назад было показано, что в мембранах нейронов могут генерироваться когерентные гиперзвуковые колебания,
2) описать новую модель информационной системы мозга, в основе которой лежит наличие в мембранах нейронов когерентных колебаний гиперзвукового диапазона,
3) предложить новый тип квантового компьютера, работа которого будет в максимальной степени моделировать работу информационной системы мозга.
Содержание работы
В первом разделе описан физический механизм генерации в мембранах нейронов когерентных акустоэлектрических колебаний с частотой порядка 5*10 10 Гц.
Во втором разделе изложены принципы работы информационной системы мозга на основе когерентных колебаний, генерируемых в мембранах нейронов.
В третьем разделе предлагается создать квантовый компьютер, моделирующий информационную систему мозга.
I. Природа когерентных колебаний в мембранах нейронов
Строение нейрона описано в любой монографии по нейронаукам. Каждый нейрон содержит основное тело, множество отростков (дендритов), посредством которых получает сигналы от остальных клеток, и длинный отросток (аксон), посредством которого сам выдает электрические импульсы (потенциалы действия).
В дальнейшем будем рассматривать исключительно аксоны. Каждый аксон содержит чередующиеся друг с другом участки 2-х видов:
1. перехваты Ранвье,
2. миелиновые оболочки.
Перехваты Ранвье являются теми участками, в которые встроены ионные каналы. Через эти каналы ионы Na + и К + проникают внутрь аксона и выходят из него, в результате чего формируются потенциалы действия. В настоящее время считается, что формирование потенциалов действия – это единственная функция перехватов Ранвье.
Однако, в работе [2] показано, что перехваты Ранвье способны выполнять еще одну важнейшую функцию: в перехватах Ранвье генерируются когерентные акустоэлектрические колебания.
Генерация когерентных акустоэлектрических колебаний осуществляется благодаря акустоэлектрическому лазерному эффекту, который реализуется в перехватах Ранвье, поскольку выполнены оба необходимые условия для реализации данного эффекта:
1) наличие накачки, посредством которой возбуждаются колебательные моды,
2) наличие резонатора, посредством которого осуществляется обратная связь.
2) Функцию резонатора, создающего распределенную обратную связь, выполняет периодическая структура, которая имеется в миелиновых оболочках, между которыми заключены перехваты Ранвье. Периодическая структура создается слоями мембран толщиной d
Такому периоду соответствует резонансная длина волны λ
10 5 см/сек – скорость гиперзвуковых волн.
Примечание. Периодическая структура с таким периодом, вероятно, имеет место и в самих перехватах Ранвье, где она может образовываться регулярным расположением ионных каналов. Согласование периодических структур в перехватах Ранвье и в миелиновых оболочках – важное условие генерации когерентных колебаний.
Важную роль играет то обстоятельство, что ионные каналы являются селективными. Диаметр каналов совпадает с диаметром ионов, поэтому ионы испытывают тесный контакт с субъединицами, которые выстилают внутреннюю поверхность канала.
Вследствие этого, большую часть своей энергии ионы передают именно колебательным модам этих субъединиц: происходит преобразование энергии ионов в колебательную энергию составляющих каналы субъединиц, что служит физической причиной накачки.
Выполнение обоих необходимых условий реализации лазерного эффекта означает, что перехваты Ранвье представляют собой акустические лазеры (в настоящее время их называют «сазеры»). Особенностью сазеров в мембранах нейронов является то, что накачка осуществляется ионным током: перехваты Ранвье – это сазеры, генерирующие когерентные акустоэлектрические колебания частотой
Примечание. Доказательство данного утверждения составляло основное содержание работы [2]. Смысл доказательства сводился к проверке, что скорость, с которой фононы образуются при столкновении ионов с субъединицами ионных каналов, превышает скорость, с которой фононы покидают перехваты Ранвье. Выполнение этого условия означает, что количество фононов резонансной частоты непрерывно увеличивается, что приводит к формированию когерентных гиперзвуковых колебаний.
Благодаря лазерному эффекту, проходящий через перехваты Ранвье ионный ток не только возбуждает колебательные моды составляющих эти перехваты молекул (что являлось бы простым преобразованием энергии ионного тока в тепловую энергию): в перехватах Ранвье происходит синхронизация колебательных мод, в результате чего образуются когерентные колебания резонансной частоты.
Генерируемые в перехватах Ранвье колебания в виде акустических волн гиперзвуковой частоты распространяются в миелиновые оболочки, где формируют акустический (гиперзвуковой) «интерференционный узор», который служит материальным носителем информационной системы мозга.
II. Информационная система мозга, как квантовый компьютер, кубитами которого служат акустоэлектрические колебательные моды
Если вывод о наличии в мозгу высокочастотных когерентных акустических колебаний соответствует действительности, то весьма вероятно, что информационная система мозга работает на основе этих колебаний: столь емкий носитель непременно должен использоваться для записи и воспроизведения информации.
Наличие когерентных гиперзвуковых колебаний позволяет мозгу работать в режиме квантового компьютера. Рассмотрим наиболее вероятный механизм реализации «мозгового» квантового компьютера, в котором элементарные ячейки информации (кубиты) создаются на основе гиперзвуковых колебательных мод.
Кубит – это произвольная линейная комбинация базовых состояний |Ψ0> и |Ψ1> с коэффициентами α, β, которые удовлетворяют условию нормировки α 2 + β 2 = 1. В случае колебательных мод базовые состояния могут отличаться любым из 4-х параметров, характеризующих эти моды: амплитудой, частотой, поляризацией, фазой.
Амплитуда и частота, вероятно, не используются для создания кубита, поскольку во всех участках аксонов эти 2 параметра являются примерно одинаковыми.
Примечание. Амплитуда колебательной моды определяется величиной ионного тока и этой величины едва хватает для реализации лазерного эффекта, а частота имеет одинаковую величину, поскольку определяется толщиной липидного слоя.
Остается третья и четвертая возможности: поляризация и фаза. Кубиты на основе поляризации и фазы акустических колебаний полностью аналогичны кубитам, в которых используются поляризация и фаза фотонов (замена фотонов на фононы не имеет принципиального значения).
Вероятно, для формирования акустических кубитов в миелиновой сети мозга поляризация и фаза используются совместно. Значения этих 2-х величин определяют вид эллипса, который образует колебательная мода в каждом поперечном сечении миелиновой оболочки аксона: базовые состояния акустических кубитов квантового компьютера мозга задаются эллиптической поляризацией.
Примечание. В качестве базовых состояний |Ψ0> и |Ψ1> «мозговых» кубитов могут быть выбраны состояния поляризации и фазы колебательных мод в любых 2-х ортогональных направлениях в плоскости, перпендикулярной оси аксона.
Информационная емкость устройства с таким количеством кубитов, эквивалентна обычному компьютеру, память которого содержит 2 3 000 000 000 000 битов.
Данная величина на 10 миллиардов порядков превышает количество частиц во Вселенной (10 80 ). Столь большая информационная емкость квантового компьютера мозга позволяет записывать сколь угодно большой объем информации и решать любые задачи.
Для записи информации не требуется создавать специальное записывающее устройство: хранение информации может осуществляется на том же самом носителе, с помощью которого происходит обработка информации (в квантовых состояниях кубитов).
Каждому образу и даже каждому «оттенку» образа (учитывающему все взаимосвязи данного образа с другими образами) можно поставить в соответствие точку гильбертова пространства, отражающую набор состояний кубитов квантового компьютера мозга. Когда совокупность кубитов оказывается в той же точке гильбертова пространства, данный образ «вспыхивает» в сознании и происходит его воспроизведение.
Примечание 1. Если бы записывающее устройство существовало отдельно от «мозгового процессора», должен был бы существовать механизм доступа к записанной информации. Этот механизм не может быть основан на низкочастотной активности мозга, поскольку информационная емкость потенциалов действия очень мала.
Примечание 2. Системы обработки информации с записывающими устройствами ограниченной емкости (пусть даже это будут миллиарды и триллионы терабайт), не способны обеспечить образное мышление: на это способен только квантовый компьютер, оперирующий «сверх-вселенскими» (> 10 80 ) объемами информации.
Запутывание акустических кубитов в квантовом компьютере мозга может осуществляться двумя способами.
Первый способ: благодаря наличию тесного контакта между участками миелиновой сети мозга и передачи запутанности по этим контактам.
Именно это свойство придает квантовому компьютеру мозга чрезвычайно высокую вычислительную мощность.
Для эффективной работы квантового компьютера мозга нет необходимости задействовать все 3*10 12 потенциальных кубитов. Работа квантового компьютера будет эффективной и в том случае, если количество кубитов будет порядка одной тысячи (10 3 ). Такое количество кубитов может быть сформировано в одном аксонном пучке, составленном всего из 30 аксонов (каждый нерв может являться «мини» квантовым компьютером). Таким образом, квантовый компьютер может занимать мизерную часть мозга, и в мозгу может существовать множество квантовых компьютеров.
Основное возражение против предлагаемого механизма работы информационной системы мозга заключается в большом затухании гиперзвуковых волн. Это препятствие может быть преодолено эффектом «просветления».
Интенсивность генерируемых колебательных мод может оказаться достаточной для распространения в режиме самоиндуцированной прозрачности (тепловые колебания, которые могли бы разрушать когерентность колебательной моды, сами становятся частью этой колебательной моды).
Примечание. Данная модель информационной системы мозга объясняет скачкообразное увеличение умственных способностей, особенно в молодые годы. Каждый новый кубит, включенный в работу квантового компьютера мозга, увеличивает информационную емкость мозга в 2 раза, поэтому для увеличения информационной емкости мозга на порядок, достаточно добавить всего 3-4 кубита.
III. Квантовый компьютер, построенный на тех же физических принципах, на которых работает человеческий мозг
Если информационная система мозга действительно работает, как квантовый компьютер, кубитами которого служат акустоэлектрические моды, то вполне реально создать компьютер, который будет работать на этих же принципах.
В ближайшие 5-6 месяцев автор намерен оформить заявку на получение патента на квантовый компьютер, моделирующий информационную систему мозга.
По истечении 5-6 лет можно ожидать появление первых образцов искусственного интеллекта, работающих по образу и подобию человеческого мозга.
Квантовые компьютеры используют наиболее общие законы квантовой механики. Никаких более общих законов природа «не придумала», поэтому вполне естественно, что сознание работает по принципу квантового компьютера, используя максимальные возможности для обработки и записи информации, предоставляемые природой.
Целесообразно провести прямой эксперимент по обнаружению когерентных акустоэлектрических колебаний в миелиновой сети мозга. Для этого следует облучить лазерным лучом участки миелиновой сети мозга и попытаться обнаружить в прошедшем или отраженном свете модуляцию с частотой порядка 5*10 10 Гц.
Аналогичный эксперимент можно провести на физической модели аксона, т.е. искусственно созданной мембране с встроенными ионными каналами. Данный эксперимент станет первым шагом на пути создания квантового компьютера, работа которого будет осуществляться на тех же физических принципах, что и работа мозга.
Создание квантовых компьютеров, работающих как мозг (и лучше мозга) поднимет информационное обеспечение цивилизации на качественно новый уровень.
Заключение
Автор пытается обратить внимание ученого сообщества на работу четверть-вековой давности [2], которая может иметь важное значение для понимания механизма работы информационной системы мозга и выявления природы сознания. Суть работы состоит в доказательстве, что отдельные участки мембран нейронов (перехваты Ранвье) служат источниками когерентных акустоэлектрических колебаний.
Принципиальная новизна данной работы заключается в описании механизма, посредством которого генерируемые в перехватах Ранвье колебания используются для работы информационной системы мозга в качестве носителя памяти и сознания.
Обосновывается гипотеза, что информационная система мозга работает как квантовый компьютер, в котором функцию кубитов выполняют акустоэлектрические колебательные моды в мембранах нейронов. Главная задача работы – обосновать тезис, что мозг представляет собой квантовый компьютер, кубитами которого служат когерентные колебания мембран нейронов.
Наряду с поляризацией и фазой, еще одним параметром гиперзвуковых волн в мембранах нейронов, который может быть использован для формирования кубитов, является закрученность (это 5 ая характеристика волн, отражающая наличие орбитального момента).
Создание закрученных волн не составляет особых трудностей: для этого на границе перехватов Ранвье и миелиновых участков должны иметься спиральные структуры или дефекты. Вероятно, такие структуры и дефекты действительно имеются (да и сами миелиновые оболочки являются спиральными).
Согласно предлагаемой модели, главным носителем информации в мозгу служит белое вещество мозга (миелиновые оболочки), а не серое вещество, как считается в настоящее время. Миелиновые оболочки служат не только для увеличения скорости распространения потенциалов действия, но также главным носителем памяти и сознания: большая часть информации обрабатывается в белом, а не в сером веществе мозга.
Примечание 1. Мозг постоянно «звучит» на гиперзвуковых частотах: это «звучание» и представляет собой работу информационной системы мозга.
Примечание 2. В акустоэлектрическом лазерном эффекте происходит синхронизация колебаний молекул, из которых построены мембраны нейронов. Тепловые колебания молекул вносят существенный вклад в энтропию рассматриваемой системы, поэтому реализация данного эффекта приводит к резкому уменьшению энтропии.
Процессы с уменьшением энтропии протекают с понижением температуры: именно по этой причине мозг не перегревается, несмотря на то, что в нем непрерывно протекают интенсивные процессы (температура мозга поддерживается за счет эффекта «сазерного охлаждения»).
В рамках предложенной модели работы информационной системы мозга находит решение поставленная Декартом психофизическая проблема: «Как в человеке соотносятся тело и дух?», другими словами, каково соотношение между материей и сознанием?
Ответ звучит следующим образом: дух существует в гильбертовом пространстве, однако создается квантовыми кубитами, образованными материальными частицами, которые существуют в пространстве-времени.
Примечание. Местом «обитания» сознания (духа) является гильбертово пространство, однако самостоятельное существование сознания в гильбертовом пространстве (без материального носителя) возможно только Творцу.
Современная технология способна воспроизвести строение аксонной сети мозга и проверить, действительно ли в этой сети генерируются гиперзвуковые колебания, после чего создать квантовый компьютер, в котором в качестве кубитов будут использоваться эти колебания.
Со временем, искусственный интеллект на основе акустоэлектрического квантового компьютера, сможет превысить качественные характеристики сознания человека. Это позволит сделать принципиально новый шаг в эволюции человека, и этот шаг будет сделан сознанием самого человека.
Настало время приступить к реализации заключительного утверждения работы [2]: «В перспективе возможно создание нейрокомпьютера, который будет работать на тех же физических принципах, что и мозг человека».
Выводы
1. В мембранах нейронов существуют когерентные акустоэлектрические колебания: эти колебания генерируются в соответствие с акустическим лазерным эффектом в перехватах Ранвье и распространяются в миелиновые оболочки.
2. Когерентные акустоэлектрические колебания в миелиновых оболочках нейронов выполняют функцию кубитов, на основе которых информационная система мозга работает по принципу квантового компьютера.
3. В ближайшие годы возможно создание искусственного интеллекта, представляющего собой квантовый компьютер, работающий на тех же физических принципах, на которых работает информационная система мозга.
1. В.А. Шашлов, Новая модель Мироздания (I) // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 24950, 20.11.2018
2. В.А. Шашлов, «Радиофизика», 1994 г. вып.1, с. 103