Понятие – проект – в природе
К оглавлению1 2 3 4 5 6 7 8 9В классической механике траекторию как переход системы из прошлого в настоящее и далее в будущее задают вариационные принципы. В частности, принцип наименьшего действия П. Мопертюи (опубликованный им в 1747 г.) определяет механическую траекторию как геометрическое место точек минимума переменной – действия. Как было показано выше и в [8], действие является энтропией-информацией в механике. То есть основа классической механики (а потому и науки в целом) опирается на примат информации как физической переменной и её роли как функции Ляпунова в устойчивости (в существовании объектов и процессов природы). Мопертюи считал, что его принцип распространяется на живую природу. В принципе Мопертюи говорится о минимуме действия потому, что в механических задачах знак энтропии как действия по историческим причинам оказался противоположным термодинамике.
Математическая идеализация использует аргумент экстремума в виде математической точки. Однако условие (3) вводит минимальную конечную единицу действия (энтропии-информации), равную иерархическому адиабатическому инварианту системы.
Этим механическая траектория как математическая кривая получает статус частной идеализации. Реальные траектории процессов в природе являются областями конечной “ширины”, определяемой условием (3), отличающимся от неопределённости вида (4) – возникает ограничение общепринятого математического формализма, при котором нулевой предел для бесконечно малых заменяется конечными приращениями. Это подобно геометрической оптике, в которой модель распространения света – луч как математическая прямая – оказался частной идеализацией. Реальный световой луч описывается в виде области нулевого порядка дифракции, имеющей конечное поперечное сечение. Работа [8] ввела аналогичную замену в идеализацию траекторий классической механики и этим в физику в целом.
Сравню особенности вариационных принципов, когда они сформулированы с участием действия (энтропии-информации), с привычным для человека понятием о проекте.
Обиходное понятие – проект – понимается как детальное перечисление, с помощью которого можно воссоздать объект, процесс, его состояния, удовлетворяющие (при ограничениях условий) заданным целям своего существования и функционирования.
Проект есть изменение информации, которое устраняет неопределённость в достижении цели. Вариационные принципы, например, наименьшего действия Мопертюи также устраняет неопределённость путём учёта изменений информации, каковую описывает действие-энтропия-информация. Поэтому он является эквивалентом проекта в природе. В этом необходимы пояснения, связанные с отличиями понятия целей для проектов человека и природы.
В природе сегодня можно признать существование только единственной самопроизвольной цели – рост действия-энтропии-информации в сочетании с минимизацией энергии взаимодействий в данных условиях. Как было пояснено, это описывает в форме функции комплексного переменного иерархический рост действия-энтропии-информации, который основан на синтезе информации.
В неживой природе любой её объект есть результат иерархического синтеза энтропии-информации как физической переменной. Реальность его как объекта одновременно и неразрывно включает в него сам проект в виде физико-химических характеристик, необходимых для возникновения и существования объекта. Вариационные принципы с участием переменной – действия (то есть энтропии-информации) математически описывают проект и объект как единое целое, единую реальность природы. Составляющую проекта в реальностях природы выражают количественные и качественные изменения действия-энтропии-информации, являющиеся причиной их существования. Объект природы существует потому, что изменениями энтропии-информации он познал и описал самого себя. Познать природу означает найти для её объектов самопроизвольно возникший проект. Не поставлены кавычки выше для слов – проект, познание, информация –потому, что при таком понимаии этих слов в кавычках нет необходимости.
В этих объяснениях нужны дополнения, так как в связи с вариационными принципами и, в частности, в связи с принципом наименьшего действия Мопертюи уже столетия идут споры о роли целей в вариационных принципах – телеологические они или причинные?
Понятие – телеологические – эквивалентно заданию извне конечных целей как причины всего сущего. В частности, сам Мопертюи (и не мало людей после него) считали прямо или косвенно источником этих целей некий “высший разум” и его выражение в виде того или иного Творца. Биология сегодня носит явно телеологический характер (как правило, без прямых использований термина – телеология). Большинство биологических работ содержит стандартное выражение “для того, чтобы ...”. Существует не мало работ высоко квалифицированный биологов (в том числе с физико-химическим образованием), в которых явно написано, что примат целей есть главное отличие жизни и разума от неживых систем.
Понятие – причинные – подразумевает замену целей описанием взаимодействий (причин), которые формируют результат как объект или процесс природы. Например, такими причинами называют энергетическую оптимальность объектов и процессов или требования симметрий. Сразу видно, что в причинном подходе при желании можно найти элементы телеологии. Предельный при сегодняшнем развитии науки компромисс найден в [1], [2], [8], [9]. Поясню его.
Существует физическая переменная действие-энтропия-информация. Её свойства описываются аксиомой – вторым началом термодинамики. Известные многочисленные его формулировки описывают разные свойства энтропии, а потому ни одна из них не является полной системой аксиом. Подробное обоснование этого и непротиворечивая полная замкнутая формулировка второго начала термодинамики дана в [9]. В таком виде второе начало термодинамики задаёт самопроизвольность роста энтропии, совместимого с условиями. Глобальная подчинённость природы второму началу термодинамики и есть предельное выражение причинности в природе.
Второе начало термодинамики дополняет аксиома о существовании энергии как функции состояния системы и о её сохранении (необходимости источника, за счёт которого изменяется энергия системы).
Из этой основы логическими выводами (пусть и сложными) могут быть получены как частные следствия известные сегодня законы природы. Обсуждение телеологичности или причинности происхождения второго начала термодинамики как аксиомы лишено смысла. Однако наглядный частный смысл второго начала термодинамики [9] есть “закон расширения в пустоту” для энтропии как меры в фазовом пространстве, которое ограничено условиями.
Устойчивость как факт существования объектов, процессов, состояний есть то, что необходимо для их реализации в природе одновременно со своими проектами (итогом изменений действия-энтропии-информации). Причём – это самопроизвольно возникшие проекты.
Условия устойчивости Ляпунова формулируются для линеаризованных задач. В формообразовании конкретных объектов и процессов природы участвуют нелинейности. Сейчас принято их анализ считать областью синергетики. О способах и результатах участия нелинейностей в задачах самоорганизации см. [18], [19].
Таковы [1] – [9] первые принципы природы, который ответственные за всё – от гравитации, электромагнетизма, элементарных частиц до возникновения и эволюции жизни и разума. Дальше покажу, как эти принципы определяют разум человека, познание им природы и свободу воли в этом.
Нейромедиаторы и нейропептиды – средство для формирования в мозге иерархических экстремумов энтропии-информации и её производства
Мозг человека существует. Он без внешних целей и программ познаёт окружающий мир. Это гарантировано тем, что, первые принципы возникновения и эволюции жизни и их продолжение при анатомическом образовании мозга и его работе тождествены законам неживой природы в том виде, как они сформулированы выше и в [1] – [9].
В мозге человека порядка 1011 нейронов. Каждый из них имеет от 100 до 1000 синапсов, связывающих их между собой. Эти количества исключают возможность тождественно применять к нейронам аналогии с принципами строгой логики, используемыми в современных компьютерах. Ведь, как и все клетки в организме, нейроны в мозге растут и объединяются связями случайно. Поэтому, как было пояснено выше, гарантировать анатомическое формирование и работу мозга, а также детерминизм её результатов, может только хаос случайностей, ограниченный условиями.
Морфологические условия отражает послойная и групповая компановка клеток. Она запоминается в филогенезе как результат отбора и присутствует в своих формах в любых органах. Мозг в этом не является исключением. В пределах нервных систем и мозга в этой компановке филогенетически образуется иерархичность сообществ клеток, анатомически наблюдаемая в виде органов в составе мозга.
Ещё одно условие вводит общая для всех видов жизни электрическая составляющая энергетики метаболизма. Она создаёт гипертрофированное накопление электрической энергии на биомембранах нейронов. Как показано в [9], в результате конкуренции энергии поверхностного натяжения мебран дендритов и аксонов и электрической энергии поля в них (при заданных потенциалах) возникает протяженность и ветвление дендритов и аксонов. Множественные ветвления становятся ключевым морфологическим отличием нейронов от других клеток в организме. Это создаёт настолько большие возможности роста энтропии-информации, что запоминание с помощью отбора происходит, несмотря на то, что генетическая основа нейронов самостоятельная, отличающаяся от генов организма в целом. Этот симбиоз потребовал, в частности, запоминания избирательно проницаемых барьеров, отделяющих мозг от организма.
Избыточная электрическая энергия одновременно есть причина существования нервных импульсов, так как её диссипация неизбежна. Отбор запоминает электромеханическую волну (нервный импульс) как механизм диссипации электрической энергии.
В нейронах избыточность электрической энергии приводит к важнейшему условию – электрохимическому синтезу с участием этой энергии специфических веществ. Запомненная отбором их группа – это нейромедиаторы. Их функции могут выполнять также нейропептиды и некоторые гормоны (в дальнейшем для краткости использую только термин нейромедиаторы, хотя существуют биохимические и функциональные отличия этих веществ). Нейромедиаторы составляют основу специфических контактов нейронов – химических синапсов. Особенность синаптических связей – возможность электрического “переноса” нейромедиаторов путём их синтеза в процессе диссипации энергии нервного импульса. Обычная для учебников схема нервной системы трактуется как система “проводов”, передающая электрические импульсы. Они в нервных связях действительно циркулируют. Однако электрические импульсы не самоцель. Мозг не имеет средств для того, чтобы их “прочесть” как таковые. Электрические нервные импульсы (за малыми исключениями) завершаются выделением нейромедиаторов и нейропептидов. Они делают электрические импульсы “читаемыми” на “химическом языке” управления связями нейронов, их дендритов и аксонов, участвующими в синтезе информации. Даже команды для исполнения организм “понимает” на химическом языке своего метаболизма. Нервы не “провода”, а устройства для “переноса” веществ – нейромедиаторов. Фактического их движения по нервам нет. Электрическая команда управляет их синтезом или выделением в синапсе. Однако нейромедиаторы также распространяются в организме диффузионно или с потоками жидкостей. Такой транспорт их в синаптические щели влияет на передачу нервных импульсов сопоставимо с электрическим “переносом”.
Каждый из нейромедиаторов имеет расщепляющий фермент. Кроме того, одни из медиаторов выполняют возбуждающую, а другие тормозящую роль. Это вводит в механизм работы нейромедиаторов положительные и отрицательные обратные связи.
Органы и системы, участвующие в метаболизме, имеют филогенетическую историю. Например, у человека существуют нейромедиаторы, встречающихся у насекомых, моллюсков, рыб, земноводных. Возникает прямое или косвенное выделение нейромедиаторов как продуктов метаболизма органов, унаследованных от таксономических предков. В результате органы и системы в организме могут влиять на работу нейронов в его мозге и наоборот. Нейромедиаторы становятся основой для взаимодействия мозга с организмом в целом, а потому и с внешней средой. Однако в этом, как свидетельствуют факты, нет места примитивизму подхода: один нейромедиатор или нейропептид – одна функция. Роль нейромедиаторов, объясненная в [1] – [9] и здесь в том, что они вводят в условия, ограничивающие хаос нейронов, зависимость изменений энтропии-информации от метаболизма.
Результаты самоорганизации хаоса зависят от признаков и свойств образующих его элементов. В неживой природе это свойства атомов и молекул. В ней экстремумы энтропии-информации (как функции комплексного переменного) и её производства задают устойчивость (запоминание) относительно небольшого числа вариантов статически или динамически устойчивых состояний. Например, кристаллы могут иметь разнообразные формы. Но каждой из них отвечает свой вид атомов. Кристаллы возникают на основе действительной составляющей энтропии-информации. Её мнимая составляющая несёт ответственность, например, за самоорганизацию в задачах конвекции.
Иное положение при синтезе информации в мозге. В функции от изменений концентраций нейромедиаторов анатомически тождественные нейроны и их связи становятся разными по свойствам элементами системы – мозга.
Нейромедиаторы изменяют не только пороги срабатывания синаптических связей (то есть “мгновенно” обратимо изменяют конфигурацию сети, для которой должны установиться экстремумы энтропии-информации и её производства). Часть из них (например, дофамин и серотонин) способны изменять энергетические процессы и синтез белков в пресинаптической части нерва. Это необратимые процессы, которые становятся памятью в мозге – на секунды или часы, или долговременной. Исследования роли нейромедиаторов в кинетике медленных процессов в синапсах отмечено Нобелевской премией 2000 г. по физиологии и медицине А. Карлссону, П. Грингарду, Э. Кенделу.
С участием двух групп нейромедиаторных воздействий анатомически тождественный мозг в ответ на сигналы органов чувств и метаболизма обратимо и/или необратимо изменяет признаки своих элементов. Новым свойствам элементов отвечают другие экстремальные значения энтропии-информации и её производства – другие устойчивые (запоминаемые) состояния системы нейронов и их связей.
Специализация нейромедиаторов по органам и системам в организме и в отделах мозга существует. Ведь филогенетическая история биологических видов – реальность. Но прямые однозначные связи “вещество-код – ответ” в этой специализации – исключения. Мозг реализует контрастно различные или подобные реакций организма путём запоминания результатов случайностей при распространении и для активности нейромедиаторов. Достоверно установлено, что один нейропептид может управлять разными нормальными и патологическими состояниями, но одновременно разные нейропептиды участвуют в реализации одной функции организма. Так и должно быть, когда вещества изменяют признаки элементов, участвующие в формировании экстремумов энтропии-информации и её производства.
В качестве примера сочетания адресности и несопоставимости действия одного и того же нейромедиатора можно привести серотонин. В [9] описана его роль как индивидуального вещества, управляющего сложнейшими механизмами пищевого поведения пьявки. Для пьявки (при извращённом желании) действие серотонина можно трактовать как “мысль-жидкость”. В организме человека тождественно это же вещество ключевое одновременно для разных функций. Например, все сложнейшие биохимические, физиологические и психологические реакции, которые в романах называют – любовь, имеют причиной сложные изменения концентрации серотонина. Одновременно он участвует в формировании сна и сновидений, в частности, вызывает появление цвета в картинах снов. Исследования показали, что причиной предрасположенности к алкоголизму является дефект гена, управляющего синтезом серотонина.
Ещё один пример из [9]. Кожа животных есть важнейший из органов чувств. Температурные и прочие воздействия на неё требуют ответа многих систем организма одновременно и в сложной взаимосвязи. Поэтому путём выживания выживающих (каковым является отбор [9]) в отдельных точках под кожей оказались запомненными скопления специфических нервных клеток. У них с внутренними органами нет прямых “прорастающих” связей в виде дендритов или аксонов. Они выделяют в общие потоки организма разные нейромедиаторы, которые активны по отношению к разным органам, а потому могут на них сильно влиять. Эти клетки породили в филогенезе случайности. Отбор закрепил такую анатомию подкожных скоплений нервных клеток, которая за счёт комплексности действия разных нейромедиаторов регулирует одновременную реакцию многих систем организма на условия внешней среды.
Наблюдательность человека выявила разные группы точек на коже, возбуждение которых известно как иглоукалывание. Им отвечают реальные группы клеток, поэтому активные точки можно идентифицировать на основе опыта врача или даже измерений электрического сопротивления кожи. Терапевтический эффект иглоукалывания достигается тем, что возбуждаются иглой, лазером и подобным группы клеток, общие по типу выделяемых ими нейромедиаторов с какими-то органами в организме. Иглоукалывание не является пока “технологическим” приёмом лечения болезней. Это искусство, которое может давать результат только как результат прошлого опыта, называемый талантом. Сегодня он, несомненно, в значительной мере утерян.
Способность быть средством для формирования экстремумов энтропии-информации и её производства для состояний и связей нейронов в нервных системах и в мозге есть свойство нейромедиаторов, эквивалентное их определению. Но экстремумы не имеют цели. Отсюда разные реакции, которые вызывает один и тот же нейромедиатор, когда он действует в функционально разных системах нейронов.
Память в нервных системах и мозге всегда была необъяснима. Роль экстремумов энтропии-информации и её производства в работе мозга, введенная в [1] – [9] и здесь, участие в их формировании нейромедиаторов, дают ответ на эту загадку. Адресные сочетания состояний индивидуальных нейронов и их синапсов не являются объектом памяти. Нет в памяти живых организмов аналогии с компьютерами и их ячейками памяти. Объекты памяти животных и человека есть статические и динамические экстремумы энтропии-информации, формируемые с помощью нейромедиаторов. Информация в мозге выражается энтропией-информацией для состояний и связей нейронов как физической переменной. Она может быть долговременной или кратковременной потому, что существуют биохимические на время или необратимые реакции на действие нейромедиаторов. Механизм памяти однороден с механизмом синтеза информации в мозге, но отличается конкретными необратимыми реакциями на действие нейромедиаторов и нейропептидов. Это мой принципиально новый результат, объясняющий необъяснимое – память мозга!
Конкуренции в мозге возбуждающих и тормозных процессов – выражение обратных связей, обостряющих малые эффекты
Каждый орган или его участок в мозге (и в организме в целом) обладает филогенетически запомненной спобностью выделять нейромедиаторы, нейропептиды, гормоны. Это породили случайности, хотя они, как и всегда, ограничены условиями. Обратные связи могут иметь противоположные формы – положительную и отрицательную обратную связь. Случайные характер веществ и реакций на них обязательно порождает оба варианта – положительные и отрицательные рбратные влияния на один и тот же орган, результат или процесс в организме. Связи случайны, а потому с высокой вероятностью могут быть приложены в разных местах в функции знака связи. Положительный или отрицательный знак связи отвечает альтернативности свойств связей – часть из них действует на одни и те же процессы тормозящим, а часть возбуждающим образом.
Запоминание этого с помощью отбора привело к хорошо известному факту – в управлении работой органов и систем живых существ участвуют и конкурируют тормозные и возбуждающие процессы. Это, в частности, присутствует в нервных системах и в мозге высших видов жизни. Итог – в живых системах одновременно и в одних и тех же участках действуют сильные положительные (возбуждающие) и отрицательные (тормозящие) обратные связи. Как было показано в [9], такие комбинации обратных связей могут усиливать (обострять) малые эффекты в системе, которую они охватывают. Это может относиться, например, к резонансным характеристикам, входным сопротивлениям или нелинейности разомкнутой системы. Несомненно, что такие комбинации обратных связей участвуют в уникальной чувствительности, характерной для органов чувств живых организмов. Хорошо известно, что глаз человека может воспринимать единичные кванты света. Его ухо чувствительно к смещениям барабанной перепонки порядка размера атома. У рыб чувствительность к электрическим импульсам сородичей может доходить до уровня реакции на разряд единичных ионов. Порог различения запахов иногда составляют единицы молекулы, например, у насекомых по отношению к половым феромонам.
В живых системах, которые без обратных связей приближённо линейные, с учетом обратных связей могут возникать значительные нелинейности. Ответы на изменения в метаболизме, которые описываются как линейные в силу своей малости, с участием альтернативных обратных связей становятся нелинейностями первого порядка.
Как упоминалось в параграфе 5, роль нелинейностей в задачах самоорганизации велика [18], [19]. Конкуренция тормозных и возбуждающих процессов как закон живых систем, в частности, расширяет в них по отношению к неживой природе гибкость и эффективность участия нелинейностей в самоорганизации.
Сопоставление несопоставимого – главная функция нервных систем и мозга
Объекты и условия внешней среды отображаются в мозге с помощью сигналов органов чувств. Однако в них не содержится физико-химической полноты параметров, которые важны для метаболизма. Например, зрение передаёт свойства объектов по отношению к их отражательной или излучательной способности в узком диапазоне длин электромагнитных волн (видимый свет). Она сложным образом зависит от тех характеристик объектов, которые важны для метаболизма (от содержания глюкозы или белков, токсичности, и подобного). Аналогично слух, тактильные или температурные ощущения. Существуют группы задач, где связи кажутся более простыми. Это ориентационные сигналы и ответ на них в виде движений организма. Но реально и в этом случае велика абстракция по отношению к исполнительным мышечным процессам.
Сигналы органов чувств должны с помощью нервных систем и мозга управлять метаболизмом и его результатами в самых разных формах – от кровообращения до целенаправленных движений живот-ных и мыслей человека. По своей физико-химической основе воздействия на органы чувств несопоставимы с внутренними процессами в организме. Метаболизм есть работа многих разных термодинамических циклов на основе преимущественно электрической и химической формы энергии [9]. Их реализуют биологические молекулярные машины [20] и образованные с их участием органы и системы. Реакция организма на сигналы органов чувств есть сопоставление того, что несопоставимо с помощью простых прямых физико-химических связей. Взаимодействие живого организма и окружающей среды выражается с помощью сопоставления того, что несопоставимо с помощью прямых физико-химических связей.
Пример. Ребёнок рождается с глазами, реагирующими на свет. Но он не видит – его движения не координированы со зрением. Он может реагировать на сигналы зрения ограниченно, в пределах безусловных рефлексов (например, рефлекс размера зрачка). Собственно зрение возникнет как результат обучающих воздействий, которые установят связи между несопоставимым. В чём-то эти связи могут быть врождёнными генетически, то есть “обученными” в процессе филогенеза. Он воспроизводится в онтогенеза на стадии яйца или внутриутробного развития (для млекопитающих).
Описать работу мозга на уровне первых принципов – это значит установить почему и как возможно такое обучение.
Сопоставление несопоставимого как процесс и итог обучения возможно потому, что в основе работы нервных систем и мозга лежат те же самые первые принципы (описанные в [1] – [9] и выше), которые управляют неживой природой. Но для мозга в их реализации присутствует деталь, новая по отношению к неживой природе.
Создать что-либо в неживой природе – это значит запомнить объект, отвечающий состоянию хаоса, устойчивому в данных условиях. Устойчивость определяют конкретные комбинации экстремумов энтропии и её производства для хаоса элементов, образующих объект. Свойства этих элементов в том числе при их взаимодействиях с внешними условиями (например, заданных давлением, температурой, электрическими и магнитными полями и подобным) консервативны. Это есть основа привычной для человека однозначной причинности в неживой природы.
Для мозга, аналогично неживой природе, создать в мозге детерминированный объект – это значит создать хаос состояний и связей, ограниченный условиями, и запомнить его. Однако нейроны в мозге как элементы системы имеют принципиальную особенность – участие нейромедиаторов в работе мозга. Воздействие нейромедиаторов изменяет свойства анатомически тождественных нейронов и их связей. Они как элементы хаоса, самоорганизация которых должна быть запомнена в виде объектов, становятся другими. Но даже ничтожное изменение элементов системы может несопоставимо количественно и качественно изменить энтропию-информацию, описывающую хаос элементов, её экстремумы.
В природе конкретные экстремумы энтропии-информации и её производства есть камень или Луна, горячо или холодно – однозначные объекты и процессы.
Объекты в мозге есть самоорганизация хаоса состояний и связей нейронов. По принципам формирования они тождественны природным объектам. Однако образуют их вариабельные элементы (нейроны и их связи), несопоставимые с элементами оригинала – объекты и процессы в мозге неоднозначно отображают оригиналы вне него.
Формировании в мозге этих экстремумов содержит особенности.
Первая состоит в том, что сигналы органов чувств поступают в мозг, выраженные функциями распределения, зависящими от внешних воздействий. Функции распределения f и энтропия S, как ввёли ещё Л. Болцман и А. Эйнштейн, связаны определением энтропии в форме:
.
Органы чувств передают свои сигналы в мозг на языке функций распределения для случайностей, а также функций корреляции. Метаболизм выражает свой ответ на объекты и условия путём выделения нейромедиаторов. Это создаёт вторую особенность работы мозга, которая была пояснена выше. Повторю о ней, так как она важнейшая.
Связи между нейронами как быстрый обратимый процесс управляются нейромедиаторами в синаптических щелях. Они изменяют пороги срабатывания при передаче нервных импульсов через синапс и этим для нейронов в целом. Нейромедиаторы также могут действовать в синапсах необратимо. Это создаёт запоминаемые изменения нейронов и их связей как элементов, образующих хаос. В системе со многими случайными синаптическими связями эти два эффекта действия нейромедиаторов изменяют её энтропию-информацию.
Воздействия нейромедиаторов являются внешними по отношению ко многим нейронам и их синапсам. Они формируют в системе нейронов экстремумы энтропии-информации и её производства. С участием зависящих от нейромедиаторов необратимых процессов они могут запоминаться. Этим мозг создаёт внутри себя эквивалент объекта природы. Он (как комбинация состояний и связей нейронов) сочетает в себе однозначность и детерминизм экстремумов энтропии-информации с физико-химической несопоставимостью объекта в мозге и в природе. При осреднении по разным реализациям состояний и связей нейронов в этом участвует детерминизм, заданный существованием порогов. Наглядным выражением этого является способность человека (и многих высших животных) узнать, например, вишню по её рисунку (в том числе и схематизированному).
Метаболизм прямо или косвенно связан с выделением и перераспределением в организме нейромедиаторов. В результате в мозге сигналы органов чувств получают сопоставление с реакциями метаболизма. Реализуется сопоставление того, что несопоставимо на основе прямых физико-химических связей. В конечном итоге оказывается, что любые, в том числе предельно абстрактные объекты выражаются в мозге на том же “языке”, что и примитивные реакции выживания в ответ на пищу, для размножения, при опасности и подобное.
Обучение состоит в том, что экстремумы энтропии-информации для состояний и связей нейронов с помощью нейромедиаторов запоминаются как функции деталей метаболизма. В результате возникает конкретная форма сопоставления несопоставимого в виде объекта природы, выраженного в мозге экстремумами состояний и связей нейронов. Они абстрагированы от первичных физико-химических воздействий на органы чувств. Экстремумы, установленные и запомненные с участием нейромедиаторов, являются объектами, выраженными в переменных метаболизма – организм способен обучиться сопоставлению несопоставимого. В этом работает многоуровневая иерархия синтеза информации, которая начинается в филогенетически древних отделах мозга и продолжается в коре мозга человека. В общем виде энтропия есть функция комплексного переменного, действительная составляющая которой выражается с участием свободной энергии. Для состояний и связей нейронов справедлив эквивалент энергии как функции состояния. Он существует для марковских случайных процессов. Он работает в логических операциях. Однако он не является энергией в смысле физики. На старших ступенях иерархии работы мозга растёт роль аналогов энергии в случайных процессах и в логике, входящих в состав экстремумов комплексной энтропии для состояний и связей его элементов. Такие аналоги ответственны за частные модели работы мозга, которые, кажущимся образом, свободны от случайностей. Первые принципы неживой природы одновременно есть первые принципы работы нервных систем и мозга всех форм жизни. Свойства элементов, реализующих эти принципы в мозге, несопоставимо отличны от свойств элементов, составляющих объекты неживой природы.
В классической механике траекторию как переход системы из прошлого в настоящее и далее в будущее задают вариационные принципы. В частности, принцип наименьшего действия П. Мопертюи (опубликованный им в 1747 г.) определяет механическую траекторию как геометрическое место точек минимума переменной – действия. Как было показано выше и в [8], действие является энтропией-информацией в механике. То есть основа классической механики (а потому и науки в целом) опирается на примат информации как физической переменной и её роли как функции Ляпунова в устойчивости (в существовании объектов и процессов природы). Мопертюи считал, что его принцип распространяется на живую природу. В принципе Мопертюи говорится о минимуме действия потому, что в механических задачах знак энтропии как действия по историческим причинам оказался противоположным термодинамике.
Математическая идеализация использует аргумент экстремума в виде математической точки. Однако условие (3) вводит минимальную конечную единицу действия (энтропии-информации), равную иерархическому адиабатическому инварианту системы.
Этим механическая траектория как математическая кривая получает статус частной идеализации. Реальные траектории процессов в природе являются областями конечной “ширины”, определяемой условием (3), отличающимся от неопределённости вида (4) – возникает ограничение общепринятого математического формализма, при котором нулевой предел для бесконечно малых заменяется конечными приращениями. Это подобно геометрической оптике, в которой модель распространения света – луч как математическая прямая – оказался частной идеализацией. Реальный световой луч описывается в виде области нулевого порядка дифракции, имеющей конечное поперечное сечение. Работа [8] ввела аналогичную замену в идеализацию траекторий классической механики и этим в физику в целом.
Сравню особенности вариационных принципов, когда они сформулированы с участием действия (энтропии-информации), с привычным для человека понятием о проекте.
Обиходное понятие – проект – понимается как детальное перечисление, с помощью которого можно воссоздать объект, процесс, его состояния, удовлетворяющие (при ограничениях условий) заданным целям своего существования и функционирования.
Проект есть изменение информации, которое устраняет неопределённость в достижении цели. Вариационные принципы, например, наименьшего действия Мопертюи также устраняет неопределённость путём учёта изменений информации, каковую описывает действие-энтропия-информация. Поэтому он является эквивалентом проекта в природе. В этом необходимы пояснения, связанные с отличиями понятия целей для проектов человека и природы.
В природе сегодня можно признать существование только единственной самопроизвольной цели – рост действия-энтропии-информации в сочетании с минимизацией энергии взаимодействий в данных условиях. Как было пояснено, это описывает в форме функции комплексного переменного иерархический рост действия-энтропии-информации, который основан на синтезе информации.
В неживой природе любой её объект есть результат иерархического синтеза энтропии-информации как физической переменной. Реальность его как объекта одновременно и неразрывно включает в него сам проект в виде физико-химических характеристик, необходимых для возникновения и существования объекта. Вариационные принципы с участием переменной – действия (то есть энтропии-информации) математически описывают проект и объект как единое целое, единую реальность природы. Составляющую проекта в реальностях природы выражают количественные и качественные изменения действия-энтропии-информации, являющиеся причиной их существования. Объект природы существует потому, что изменениями энтропии-информации он познал и описал самого себя. Познать природу означает найти для её объектов самопроизвольно возникший проект. Не поставлены кавычки выше для слов – проект, познание, информация –потому, что при таком понимаии этих слов в кавычках нет необходимости.
В этих объяснениях нужны дополнения, так как в связи с вариационными принципами и, в частности, в связи с принципом наименьшего действия Мопертюи уже столетия идут споры о роли целей в вариационных принципах – телеологические они или причинные?
Понятие – телеологические – эквивалентно заданию извне конечных целей как причины всего сущего. В частности, сам Мопертюи (и не мало людей после него) считали прямо или косвенно источником этих целей некий “высший разум” и его выражение в виде того или иного Творца. Биология сегодня носит явно телеологический характер (как правило, без прямых использований термина – телеология). Большинство биологических работ содержит стандартное выражение “для того, чтобы ...”. Существует не мало работ высоко квалифицированный биологов (в том числе с физико-химическим образованием), в которых явно написано, что примат целей есть главное отличие жизни и разума от неживых систем.
Понятие – причинные – подразумевает замену целей описанием взаимодействий (причин), которые формируют результат как объект или процесс природы. Например, такими причинами называют энергетическую оптимальность объектов и процессов или требования симметрий. Сразу видно, что в причинном подходе при желании можно найти элементы телеологии. Предельный при сегодняшнем развитии науки компромисс найден в [1], [2], [8], [9]. Поясню его.
Существует физическая переменная действие-энтропия-информация. Её свойства описываются аксиомой – вторым началом термодинамики. Известные многочисленные его формулировки описывают разные свойства энтропии, а потому ни одна из них не является полной системой аксиом. Подробное обоснование этого и непротиворечивая полная замкнутая формулировка второго начала термодинамики дана в [9]. В таком виде второе начало термодинамики задаёт самопроизвольность роста энтропии, совместимого с условиями. Глобальная подчинённость природы второму началу термодинамики и есть предельное выражение причинности в природе.
Второе начало термодинамики дополняет аксиома о существовании энергии как функции состояния системы и о её сохранении (необходимости источника, за счёт которого изменяется энергия системы).
Из этой основы логическими выводами (пусть и сложными) могут быть получены как частные следствия известные сегодня законы природы. Обсуждение телеологичности или причинности происхождения второго начала термодинамики как аксиомы лишено смысла. Однако наглядный частный смысл второго начала термодинамики [9] есть “закон расширения в пустоту” для энтропии как меры в фазовом пространстве, которое ограничено условиями.
Устойчивость как факт существования объектов, процессов, состояний есть то, что необходимо для их реализации в природе одновременно со своими проектами (итогом изменений действия-энтропии-информации). Причём – это самопроизвольно возникшие проекты.
Условия устойчивости Ляпунова формулируются для линеаризованных задач. В формообразовании конкретных объектов и процессов природы участвуют нелинейности. Сейчас принято их анализ считать областью синергетики. О способах и результатах участия нелинейностей в задачах самоорганизации см. [18], [19].
Таковы [1] – [9] первые принципы природы, который ответственные за всё – от гравитации, электромагнетизма, элементарных частиц до возникновения и эволюции жизни и разума. Дальше покажу, как эти принципы определяют разум человека, познание им природы и свободу воли в этом.
Нейромедиаторы и нейропептиды – средство для формирования в мозге иерархических экстремумов энтропии-информации и её производства
Мозг человека существует. Он без внешних целей и программ познаёт окружающий мир. Это гарантировано тем, что, первые принципы возникновения и эволюции жизни и их продолжение при анатомическом образовании мозга и его работе тождествены законам неживой природы в том виде, как они сформулированы выше и в [1] – [9].
В мозге человека порядка 1011 нейронов. Каждый из них имеет от 100 до 1000 синапсов, связывающих их между собой. Эти количества исключают возможность тождественно применять к нейронам аналогии с принципами строгой логики, используемыми в современных компьютерах. Ведь, как и все клетки в организме, нейроны в мозге растут и объединяются связями случайно. Поэтому, как было пояснено выше, гарантировать анатомическое формирование и работу мозга, а также детерминизм её результатов, может только хаос случайностей, ограниченный условиями.
Морфологические условия отражает послойная и групповая компановка клеток. Она запоминается в филогенезе как результат отбора и присутствует в своих формах в любых органах. Мозг в этом не является исключением. В пределах нервных систем и мозга в этой компановке филогенетически образуется иерархичность сообществ клеток, анатомически наблюдаемая в виде органов в составе мозга.
Ещё одно условие вводит общая для всех видов жизни электрическая составляющая энергетики метаболизма. Она создаёт гипертрофированное накопление электрической энергии на биомембранах нейронов. Как показано в [9], в результате конкуренции энергии поверхностного натяжения мебран дендритов и аксонов и электрической энергии поля в них (при заданных потенциалах) возникает протяженность и ветвление дендритов и аксонов. Множественные ветвления становятся ключевым морфологическим отличием нейронов от других клеток в организме. Это создаёт настолько большие возможности роста энтропии-информации, что запоминание с помощью отбора происходит, несмотря на то, что генетическая основа нейронов самостоятельная, отличающаяся от генов организма в целом. Этот симбиоз потребовал, в частности, запоминания избирательно проницаемых барьеров, отделяющих мозг от организма.
Избыточная электрическая энергия одновременно есть причина существования нервных импульсов, так как её диссипация неизбежна. Отбор запоминает электромеханическую волну (нервный импульс) как механизм диссипации электрической энергии.
В нейронах избыточность электрической энергии приводит к важнейшему условию – электрохимическому синтезу с участием этой энергии специфических веществ. Запомненная отбором их группа – это нейромедиаторы. Их функции могут выполнять также нейропептиды и некоторые гормоны (в дальнейшем для краткости использую только термин нейромедиаторы, хотя существуют биохимические и функциональные отличия этих веществ). Нейромедиаторы составляют основу специфических контактов нейронов – химических синапсов. Особенность синаптических связей – возможность электрического “переноса” нейромедиаторов путём их синтеза в процессе диссипации энергии нервного импульса. Обычная для учебников схема нервной системы трактуется как система “проводов”, передающая электрические импульсы. Они в нервных связях действительно циркулируют. Однако электрические импульсы не самоцель. Мозг не имеет средств для того, чтобы их “прочесть” как таковые. Электрические нервные импульсы (за малыми исключениями) завершаются выделением нейромедиаторов и нейропептидов. Они делают электрические импульсы “читаемыми” на “химическом языке” управления связями нейронов, их дендритов и аксонов, участвующими в синтезе информации. Даже команды для исполнения организм “понимает” на химическом языке своего метаболизма. Нервы не “провода”, а устройства для “переноса” веществ – нейромедиаторов. Фактического их движения по нервам нет. Электрическая команда управляет их синтезом или выделением в синапсе. Однако нейромедиаторы также распространяются в организме диффузионно или с потоками жидкостей. Такой транспорт их в синаптические щели влияет на передачу нервных импульсов сопоставимо с электрическим “переносом”.
Каждый из нейромедиаторов имеет расщепляющий фермент. Кроме того, одни из медиаторов выполняют возбуждающую, а другие тормозящую роль. Это вводит в механизм работы нейромедиаторов положительные и отрицательные обратные связи.
Органы и системы, участвующие в метаболизме, имеют филогенетическую историю. Например, у человека существуют нейромедиаторы, встречающихся у насекомых, моллюсков, рыб, земноводных. Возникает прямое или косвенное выделение нейромедиаторов как продуктов метаболизма органов, унаследованных от таксономических предков. В результате органы и системы в организме могут влиять на работу нейронов в его мозге и наоборот. Нейромедиаторы становятся основой для взаимодействия мозга с организмом в целом, а потому и с внешней средой. Однако в этом, как свидетельствуют факты, нет места примитивизму подхода: один нейромедиатор или нейропептид – одна функция. Роль нейромедиаторов, объясненная в [1] – [9] и здесь в том, что они вводят в условия, ограничивающие хаос нейронов, зависимость изменений энтропии-информации от метаболизма.
Результаты самоорганизации хаоса зависят от признаков и свойств образующих его элементов. В неживой природе это свойства атомов и молекул. В ней экстремумы энтропии-информации (как функции комплексного переменного) и её производства задают устойчивость (запоминание) относительно небольшого числа вариантов статически или динамически устойчивых состояний. Например, кристаллы могут иметь разнообразные формы. Но каждой из них отвечает свой вид атомов. Кристаллы возникают на основе действительной составляющей энтропии-информации. Её мнимая составляющая несёт ответственность, например, за самоорганизацию в задачах конвекции.
Иное положение при синтезе информации в мозге. В функции от изменений концентраций нейромедиаторов анатомически тождественные нейроны и их связи становятся разными по свойствам элементами системы – мозга.
Нейромедиаторы изменяют не только пороги срабатывания синаптических связей (то есть “мгновенно” обратимо изменяют конфигурацию сети, для которой должны установиться экстремумы энтропии-информации и её производства). Часть из них (например, дофамин и серотонин) способны изменять энергетические процессы и синтез белков в пресинаптической части нерва. Это необратимые процессы, которые становятся памятью в мозге – на секунды или часы, или долговременной. Исследования роли нейромедиаторов в кинетике медленных процессов в синапсах отмечено Нобелевской премией 2000 г. по физиологии и медицине А. Карлссону, П. Грингарду, Э. Кенделу.
С участием двух групп нейромедиаторных воздействий анатомически тождественный мозг в ответ на сигналы органов чувств и метаболизма обратимо и/или необратимо изменяет признаки своих элементов. Новым свойствам элементов отвечают другие экстремальные значения энтропии-информации и её производства – другие устойчивые (запоминаемые) состояния системы нейронов и их связей.
Специализация нейромедиаторов по органам и системам в организме и в отделах мозга существует. Ведь филогенетическая история биологических видов – реальность. Но прямые однозначные связи “вещество-код – ответ” в этой специализации – исключения. Мозг реализует контрастно различные или подобные реакций организма путём запоминания результатов случайностей при распространении и для активности нейромедиаторов. Достоверно установлено, что один нейропептид может управлять разными нормальными и патологическими состояниями, но одновременно разные нейропептиды участвуют в реализации одной функции организма. Так и должно быть, когда вещества изменяют признаки элементов, участвующие в формировании экстремумов энтропии-информации и её производства.
В качестве примера сочетания адресности и несопоставимости действия одного и того же нейромедиатора можно привести серотонин. В [9] описана его роль как индивидуального вещества, управляющего сложнейшими механизмами пищевого поведения пьявки. Для пьявки (при извращённом желании) действие серотонина можно трактовать как “мысль-жидкость”. В организме человека тождественно это же вещество ключевое одновременно для разных функций. Например, все сложнейшие биохимические, физиологические и психологические реакции, которые в романах называют – любовь, имеют причиной сложные изменения концентрации серотонина. Одновременно он участвует в формировании сна и сновидений, в частности, вызывает появление цвета в картинах снов. Исследования показали, что причиной предрасположенности к алкоголизму является дефект гена, управляющего синтезом серотонина.
Ещё один пример из [9]. Кожа животных есть важнейший из органов чувств. Температурные и прочие воздействия на неё требуют ответа многих систем организма одновременно и в сложной взаимосвязи. Поэтому путём выживания выживающих (каковым является отбор [9]) в отдельных точках под кожей оказались запомненными скопления специфических нервных клеток. У них с внутренними органами нет прямых “прорастающих” связей в виде дендритов или аксонов. Они выделяют в общие потоки организма разные нейромедиаторы, которые активны по отношению к разным органам, а потому могут на них сильно влиять. Эти клетки породили в филогенезе случайности. Отбор закрепил такую анатомию подкожных скоплений нервных клеток, которая за счёт комплексности действия разных нейромедиаторов регулирует одновременную реакцию многих систем организма на условия внешней среды.
Наблюдательность человека выявила разные группы точек на коже, возбуждение которых известно как иглоукалывание. Им отвечают реальные группы клеток, поэтому активные точки можно идентифицировать на основе опыта врача или даже измерений электрического сопротивления кожи. Терапевтический эффект иглоукалывания достигается тем, что возбуждаются иглой, лазером и подобным группы клеток, общие по типу выделяемых ими нейромедиаторов с какими-то органами в организме. Иглоукалывание не является пока “технологическим” приёмом лечения болезней. Это искусство, которое может давать результат только как результат прошлого опыта, называемый талантом. Сегодня он, несомненно, в значительной мере утерян.
Способность быть средством для формирования экстремумов энтропии-информации и её производства для состояний и связей нейронов в нервных системах и в мозге есть свойство нейромедиаторов, эквивалентное их определению. Но экстремумы не имеют цели. Отсюда разные реакции, которые вызывает один и тот же нейромедиатор, когда он действует в функционально разных системах нейронов.
Память в нервных системах и мозге всегда была необъяснима. Роль экстремумов энтропии-информации и её производства в работе мозга, введенная в [1] – [9] и здесь, участие в их формировании нейромедиаторов, дают ответ на эту загадку. Адресные сочетания состояний индивидуальных нейронов и их синапсов не являются объектом памяти. Нет в памяти живых организмов аналогии с компьютерами и их ячейками памяти. Объекты памяти животных и человека есть статические и динамические экстремумы энтропии-информации, формируемые с помощью нейромедиаторов. Информация в мозге выражается энтропией-информацией для состояний и связей нейронов как физической переменной. Она может быть долговременной или кратковременной потому, что существуют биохимические на время или необратимые реакции на действие нейромедиаторов. Механизм памяти однороден с механизмом синтеза информации в мозге, но отличается конкретными необратимыми реакциями на действие нейромедиаторов и нейропептидов. Это мой принципиально новый результат, объясняющий необъяснимое – память мозга!
Конкуренции в мозге возбуждающих и тормозных процессов – выражение обратных связей, обостряющих малые эффекты
Каждый орган или его участок в мозге (и в организме в целом) обладает филогенетически запомненной спобностью выделять нейромедиаторы, нейропептиды, гормоны. Это породили случайности, хотя они, как и всегда, ограничены условиями. Обратные связи могут иметь противоположные формы – положительную и отрицательную обратную связь. Случайные характер веществ и реакций на них обязательно порождает оба варианта – положительные и отрицательные рбратные влияния на один и тот же орган, результат или процесс в организме. Связи случайны, а потому с высокой вероятностью могут быть приложены в разных местах в функции знака связи. Положительный или отрицательный знак связи отвечает альтернативности свойств связей – часть из них действует на одни и те же процессы тормозящим, а часть возбуждающим образом.
Запоминание этого с помощью отбора привело к хорошо известному факту – в управлении работой органов и систем живых существ участвуют и конкурируют тормозные и возбуждающие процессы. Это, в частности, присутствует в нервных системах и в мозге высших видов жизни. Итог – в живых системах одновременно и в одних и тех же участках действуют сильные положительные (возбуждающие) и отрицательные (тормозящие) обратные связи. Как было показано в [9], такие комбинации обратных связей могут усиливать (обострять) малые эффекты в системе, которую они охватывают. Это может относиться, например, к резонансным характеристикам, входным сопротивлениям или нелинейности разомкнутой системы. Несомненно, что такие комбинации обратных связей участвуют в уникальной чувствительности, характерной для органов чувств живых организмов. Хорошо известно, что глаз человека может воспринимать единичные кванты света. Его ухо чувствительно к смещениям барабанной перепонки порядка размера атома. У рыб чувствительность к электрическим импульсам сородичей может доходить до уровня реакции на разряд единичных ионов. Порог различения запахов иногда составляют единицы молекулы, например, у насекомых по отношению к половым феромонам.
В живых системах, которые без обратных связей приближённо линейные, с учетом обратных связей могут возникать значительные нелинейности. Ответы на изменения в метаболизме, которые описываются как линейные в силу своей малости, с участием альтернативных обратных связей становятся нелинейностями первого порядка.
Как упоминалось в параграфе 5, роль нелинейностей в задачах самоорганизации велика [18], [19]. Конкуренция тормозных и возбуждающих процессов как закон живых систем, в частности, расширяет в них по отношению к неживой природе гибкость и эффективность участия нелинейностей в самоорганизации.
Сопоставление несопоставимого – главная функция нервных систем и мозга
Объекты и условия внешней среды отображаются в мозге с помощью сигналов органов чувств. Однако в них не содержится физико-химической полноты параметров, которые важны для метаболизма. Например, зрение передаёт свойства объектов по отношению к их отражательной или излучательной способности в узком диапазоне длин электромагнитных волн (видимый свет). Она сложным образом зависит от тех характеристик объектов, которые важны для метаболизма (от содержания глюкозы или белков, токсичности, и подобного). Аналогично слух, тактильные или температурные ощущения. Существуют группы задач, где связи кажутся более простыми. Это ориентационные сигналы и ответ на них в виде движений организма. Но реально и в этом случае велика абстракция по отношению к исполнительным мышечным процессам.
Сигналы органов чувств должны с помощью нервных систем и мозга управлять метаболизмом и его результатами в самых разных формах – от кровообращения до целенаправленных движений живот-ных и мыслей человека. По своей физико-химической основе воздействия на органы чувств несопоставимы с внутренними процессами в организме. Метаболизм есть работа многих разных термодинамических циклов на основе преимущественно электрической и химической формы энергии [9]. Их реализуют биологические молекулярные машины [20] и образованные с их участием органы и системы. Реакция организма на сигналы органов чувств есть сопоставление того, что несопоставимо с помощью простых прямых физико-химических связей. Взаимодействие живого организма и окружающей среды выражается с помощью сопоставления того, что несопоставимо с помощью прямых физико-химических связей.
Пример. Ребёнок рождается с глазами, реагирующими на свет. Но он не видит – его движения не координированы со зрением. Он может реагировать на сигналы зрения ограниченно, в пределах безусловных рефлексов (например, рефлекс размера зрачка). Собственно зрение возникнет как результат обучающих воздействий, которые установят связи между несопоставимым. В чём-то эти связи могут быть врождёнными генетически, то есть “обученными” в процессе филогенеза. Он воспроизводится в онтогенеза на стадии яйца или внутриутробного развития (для млекопитающих).
Описать работу мозга на уровне первых принципов – это значит установить почему и как возможно такое обучение.
Сопоставление несопоставимого как процесс и итог обучения возможно потому, что в основе работы нервных систем и мозга лежат те же самые первые принципы (описанные в [1] – [9] и выше), которые управляют неживой природой. Но для мозга в их реализации присутствует деталь, новая по отношению к неживой природе.
Создать что-либо в неживой природе – это значит запомнить объект, отвечающий состоянию хаоса, устойчивому в данных условиях. Устойчивость определяют конкретные комбинации экстремумов энтропии и её производства для хаоса элементов, образующих объект. Свойства этих элементов в том числе при их взаимодействиях с внешними условиями (например, заданных давлением, температурой, электрическими и магнитными полями и подобным) консервативны. Это есть основа привычной для человека однозначной причинности в неживой природы.
Для мозга, аналогично неживой природе, создать в мозге детерминированный объект – это значит создать хаос состояний и связей, ограниченный условиями, и запомнить его. Однако нейроны в мозге как элементы системы имеют принципиальную особенность – участие нейромедиаторов в работе мозга. Воздействие нейромедиаторов изменяет свойства анатомически тождественных нейронов и их связей. Они как элементы хаоса, самоорганизация которых должна быть запомнена в виде объектов, становятся другими. Но даже ничтожное изменение элементов системы может несопоставимо количественно и качественно изменить энтропию-информацию, описывающую хаос элементов, её экстремумы.
В природе конкретные экстремумы энтропии-информации и её производства есть камень или Луна, горячо или холодно – однозначные объекты и процессы.
Объекты в мозге есть самоорганизация хаоса состояний и связей нейронов. По принципам формирования они тождественны природным объектам. Однако образуют их вариабельные элементы (нейроны и их связи), несопоставимые с элементами оригинала – объекты и процессы в мозге неоднозначно отображают оригиналы вне него.
Формировании в мозге этих экстремумов содержит особенности.
Первая состоит в том, что сигналы органов чувств поступают в мозг, выраженные функциями распределения, зависящими от внешних воздействий. Функции распределения f и энтропия S, как ввёли ещё Л. Болцман и А. Эйнштейн, связаны определением энтропии в форме:
.
Органы чувств передают свои сигналы в мозг на языке функций распределения для случайностей, а также функций корреляции. Метаболизм выражает свой ответ на объекты и условия путём выделения нейромедиаторов. Это создаёт вторую особенность работы мозга, которая была пояснена выше. Повторю о ней, так как она важнейшая.
Связи между нейронами как быстрый обратимый процесс управляются нейромедиаторами в синаптических щелях. Они изменяют пороги срабатывания при передаче нервных импульсов через синапс и этим для нейронов в целом. Нейромедиаторы также могут действовать в синапсах необратимо. Это создаёт запоминаемые изменения нейронов и их связей как элементов, образующих хаос. В системе со многими случайными синаптическими связями эти два эффекта действия нейромедиаторов изменяют её энтропию-информацию.
Воздействия нейромедиаторов являются внешними по отношению ко многим нейронам и их синапсам. Они формируют в системе нейронов экстремумы энтропии-информации и её производства. С участием зависящих от нейромедиаторов необратимых процессов они могут запоминаться. Этим мозг создаёт внутри себя эквивалент объекта природы. Он (как комбинация состояний и связей нейронов) сочетает в себе однозначность и детерминизм экстремумов энтропии-информации с физико-химической несопоставимостью объекта в мозге и в природе. При осреднении по разным реализациям состояний и связей нейронов в этом участвует детерминизм, заданный существованием порогов. Наглядным выражением этого является способность человека (и многих высших животных) узнать, например, вишню по её рисунку (в том числе и схематизированному).
Метаболизм прямо или косвенно связан с выделением и перераспределением в организме нейромедиаторов. В результате в мозге сигналы органов чувств получают сопоставление с реакциями метаболизма. Реализуется сопоставление того, что несопоставимо на основе прямых физико-химических связей. В конечном итоге оказывается, что любые, в том числе предельно абстрактные объекты выражаются в мозге на том же “языке”, что и примитивные реакции выживания в ответ на пищу, для размножения, при опасности и подобное.
Обучение состоит в том, что экстремумы энтропии-информации для состояний и связей нейронов с помощью нейромедиаторов запоминаются как функции деталей метаболизма. В результате возникает конкретная форма сопоставления несопоставимого в виде объекта природы, выраженного в мозге экстремумами состояний и связей нейронов. Они абстрагированы от первичных физико-химических воздействий на органы чувств. Экстремумы, установленные и запомненные с участием нейромедиаторов, являются объектами, выраженными в переменных метаболизма – организм способен обучиться сопоставлению несопоставимого. В этом работает многоуровневая иерархия синтеза информации, которая начинается в филогенетически древних отделах мозга и продолжается в коре мозга человека. В общем виде энтропия есть функция комплексного переменного, действительная составляющая которой выражается с участием свободной энергии. Для состояний и связей нейронов справедлив эквивалент энергии как функции состояния. Он существует для марковских случайных процессов. Он работает в логических операциях. Однако он не является энергией в смысле физики. На старших ступенях иерархии работы мозга растёт роль аналогов энергии в случайных процессах и в логике, входящих в состав экстремумов комплексной энтропии для состояний и связей его элементов. Такие аналоги ответственны за частные модели работы мозга, которые, кажущимся образом, свободны от случайностей. Первые принципы неживой природы одновременно есть первые принципы работы нервных систем и мозга всех форм жизни. Свойства элементов, реализующих эти принципы в мозге, несопоставимо отличны от свойств элементов, составляющих объекты неживой природы.