Глава 3. Голография и память

Электронные волокна запоминают...

В течение всей своей жизни человек непрерывно принимает решения. При этом прежде всего происходит так называемое распознавание образов, характеризующих окружающую среду, затем классификация этих образов путем сравнения их с теми, которые известны из прошлого опыта. В случае простого условного рефлекса решение принимается автоматически. Если же речь идет о более развитом интеллекте, то сначала происходит распознавание образов, а затем - анализ последствий возможного выбора. Все эти стадии тесно связаны с тем, что мы называем памятью. В процессе распознавания образов и последующего анализа существует определенная иерархия, которая требует более обширной памяти, но роль памяти в принципе остается прежней. Таким образом, память абсолютно необходима не только человеку, но и любому живому существу. Универсальные способности к обучению тесно связаны с универсальностью памяти.

В течение многих веков память была предметом размышлений философов. Машины, наделенные памятью, появились уже давно; еще в XVIII в. автоматы и музыкальные шкатулки обладали каким-то подобием памяти. Но эта "память" была так убога, что никому и в голову не приходило сравнивать ее с памятью человека. С появлением электронных машин все изменилось. У этих машин действительно есть способность запоминать. Память машины хранит порядок операций, которые нужно произвести, многочисленные исходные данные предложенной задачи и все промежуточные результаты. Искусственная память развивается и очень быстро совершенствуется. Но чтобы ясно очертить проблему, нужно прежде всего вспомнить, как устроена электронная вычислительная машина и какую роль в ее работе играет память.

Если пренебречь особенностями отдельных моделей, окажется, что эти машины удивительно похожи друг на друга. Схема, изображенная на рис. 3, может быть отнесена к любой электронной вычислительной машине независимо от ее конструкции и назначения. Как показано на схеме, такая машина состоит из четырех частей: процессора, блоков памяти, управления, органов на входе и на выходе. Процессор (3) производит арифметические действия - сложение и вычитание, но это нисколько не ограничивает возможности машины, потому что умножение можно заменить серией сложений, а деление - серией вычитаний. Оперативная память (2) служит для хранения информации, необходимой при расчетах: исходные данные, последовательность операций (так называемая программа), промежуточные и конечные результаты. Комбинированный ансамбль "вход - выход" (4) обеспечивает связь машины с внешним миром: она получает данные для расчетов на входе и выдает результаты на выходе. Кроме кратковременной оперативной памяти имеется еще память, хранящая информацию (5), которая приходит на помощь оперативной памяти. Блок общего управления (1) управляет всей системой, обеспечивая оптимальный режим ее работы; в каждый данный момент он осуществляет необходимую связь между всеми частями машины.

Рис. 3. Принципиальная схема быстродействующей ЭВМ

Память счетной машины может функционировать по-разному. Есть постоянная, или мертвая, память; информация записана в ней раз и навсегда, ее нельзя уничтожить или изменить. Самый простой и давно известный пример этого типа памяти - перфокарта: данные или указания программы переводятся в соответственно расположенные отверстия на бумажной карте. Органы на входе считывают эту информацию, и она легко усваивается машиной. Другой вид памяти - оперативная память; она имеет динамическую природу и действует с фантастической скоростью: информация в ней записывается и стирается за миллионные доли секунды. Но емкость ее сравнительно мала (это определяется экономией средств), и поэтому она связана с долговременной памятью. Емкость долговременной памяти может быть громадной. Современные машины способны хранить информацию, которую человек получает за всю свою жизнь.

Основная проблема памяти заключается в том, чтобы как можно быстрее отыскать записанную в ней информацию. В вычислительных машинах это осуществляется при помощи так называемого адреса. Память можно сравнить с громадной картотекой, состоящей из огромного числа ячеек. Чтобы легче найти то, что помещается в одной из этих ячеек, нужно обозначить ее номером и дать ей адрес. Процесс сложения, например, выполняется в заданном порядке (вспомним, что этот порядок - элемент программы машины): отыскивается число, находящееся в ячейке памяти, к нему прибавляется число, и результат записывается в соответствующую ячейку.

Впоследствии, если для дальнейших вычислений необходим этот промежуточный результат, машина (т. е. программа) "вспомнит", в какой именно ячейке находится результат. Это надежный метод, но он требует точных сведений о том, в какой ячейке находится нужная информация. А может случиться так, что информация есть, а где она - неизвестно. Что же делать в таком случае?

Заметьте, что это не надуманная ситуация. И вот простой пример - механизация розыска документов. Документы - книги или журналы, поступающие на хранение,- анализируются, кодируются на языке машины, а затем регистрируются в ее памяти. Каждый документ снабжается специальными обозначениями, его краткое содержание выражают несколькими так называемыми ключевыми словами. Число документов, помеченных определенным набором ключевых слов, заранее не известно. Чтобы разыскать все документы, имеющие отношение к данной теме, ее содержание также выражают набором ключевых слов, взятых из словаря, уже использованного при составлении характеристик документов. Затем этот набор слов сравнивается со всеми наборами, характеризующими отдельные документы. Если в наборе слов определенного документа обнаруживаются все ключевые слова заданной темы, выбирают этот документ, так как именно он должен относиться к нашей теме.

Таким образом, приходится перебирать все документы, хранящиеся в памяти машины, потому что никто не имеет понятия о том, где же фактически находятся нужные документы. Это очень трудоемкий метод розыска. Тем не менее благодаря сверхвысоким скоростям работы электронных машин операция занимает немного времени, но от этого суть дела не меняется: чтобы получить ответ всего на один вопрос, приходится просматривать все документы, хранящиеся в памяти машины.

Во власти воспоминаний

Совсем иначе работает память человека. Элементарное самонаблюдение подтверждает огромную важность так называемых ассоциаций. Стоит только задать вопрос: "Что вы об этом знаете?", как в мозгу начинается процесс, в котором каждое слово вызывает в памяти новое слово. То, что человек знает "об этом", не приходится разыскивать по адресу в каком-нибудь "ящичке" мозга. Здесь, по-видимому, работают многочисленные цепи, которые производят параллельные розыски информации на основе ассоциаций, образованных при запоминании всего, что относилось к этой теме. Разница между памятью, работающей по адресу, и ассоциативной памятью живых существ не количественная, а качественная. Было сделано несколько попыток создать запоминающие системы ассоциативного типа; они дают значительный выигрыш во времени, но за это приходится расплачиваться усложнением конструкции.

Нет ли еще более глубокого различия между памятью человека и памятью машины? В машине память точно локализована: можно увидеть своими глазами крохотные куски магнитного материала, составляющие элементарные клетки оперативной памяти или магнитную ленту долговременной памяти. Трудно устоять перед искушением найти аналогичные структуры и в человеческом мозгу, обнаружить, в каком специализированном отделе мозга хранятся запасы полученной информации. Однако все поиски в этом направлении заводили в тупик. В частности, хирургия подтвердила, что даже в тех случаях, когда из-за травмы или серьезного заболевания удаляли значительную часть мозга, на память это практически не влияло. Не потому ли ускользает ответ, что вопрос поставлен неудачно? Может быть, центр памяти не удается обнаружить просто потому, что память не локализована в определенной части мозга, а распределена более или менее широко по всей центральной нервной системе, как, например, в персептроне^*, где память о каждой категории образов, заключенная в целой серии цифровых значений коэффициентов, распределена равномерно. Локализованная память, работающая по адресу, прекрасно приспособлена для арифметических расчетов, и это доказано блестящей работой электронных вычислительных машин. А вот диффузная, "голографическая" память, пожалуй, лучше подошла бы для машин, распознающих образ и принимающих решение в условиях сложного выбора. Если это действительно так, то для бионика открывается новое поле деятельности. Но подтверждается ли гипотеза диффузной памяти физиологическими данными?

^* (Персептрон - электронное кибернетическое устройство, предназначенное для автоматического распознавания образов. Может использоваться в самых различных областях: для автоматической сортировки белья по фабричным меткам.)

Первые кибернетические исследования в области памяти опирались на следующую гипотезу: весь прошлый опыт материализован в мозгу в виде определенной цепи нейронов. Нейронов чрезвычайно много - десять миллиардов; количество элементов связи между нейронами, синапсов, в сто раз больше, т. е. тысяча миллиардов. Человек с самым смелым воображением не возьмется перечислить все цепи, которые могут образоваться из этих десяти миллиардов нейронов, связанных тысячей миллиардов синапсов.

Как же создается цепь, соответствующая данному количеству информации? Естественно предположить, что определенная чувственная информация возбуждает всегда одну и ту же цепь нейронов. От нейрона к нейрону возбуждение всегда передается по одним и тем же синапсам. Передавая возбуждение, синапсы модифицируются, и последующие импульсы передаются уже легче; таким образом, память может быть заключена в этих механизмах, облегчающих передачу импульсов. Действительно, подобные явления наблюдаются после продолжительного действия возбуждения, но они очень недолговечны: через несколько минут, самое большее через несколько десятков минут, они исчезают. Значит, этим путем нам не удастся прийти к объяснению феномена памяти, потому что ее самый существенный признак - долговечность.

Память бывает разная

Кратковременная память хорошо знакома психологам. Они измеряют ее количеством цифр или слогов, которое человек запоминает с первого раза. Для чистоты опыта цифры следуют в полном беспорядке, а слоги не составляют слов, их порядок должен быть лишен всякой логики. Емкость кратковременной памяти невелика - всего 7-8 слогов, но она удивительно постоянна для каждого индивида. Физиологическим субстратом такой кратковременной памяти может служить остаточная деполяризация синапсов.

Определенная часть информации отбирается и передается на хранение в долговременную память. Но это требует некоторых усилий. Информация должна получить структуру, ассоциироваться с уже известной или близкой к ней информацией. Трудно объяснить, в какой форме хранится эта информация; образ любимого человека в памяти едва ли напоминает фотографию этого человека. Нервная система извлекает из массы чувственной информации основные черты, по-настоящему важные и характерные; в память они помещаются довольно экономно. В этой связи возникает естественный вопрос: известна ли нам полная емкость человеческой памяти? Этот вопрос неправильно сформулирован, потому что для ответа нужно точно знать физиологическую природу материального субстрата памяти. Его можно поставить иначе: какое количество информации человек может воспринять (а значит, и запомнить) за всю свою жизнь? На этот вопрос уже есть ответ. Многочисленные эксперименты показали, что человек может обработать один бит информации в три сотые доли секунды. Правда, это кладет пределы познавательной способности человека, но, к счастью, они довольно широкие.

Если человек может обработать примерно 20 битов информации в секунду (постоянно сохранять полное внимание невозможно), это значит, что он способен оценить почти миллион различных возможностей в секунду. Если работать в этом ритме 14 ч в день (мы берем крайний случай), то в день можно обработать миллион битов. За 50 лет среднее число составит примерно 18 миллиардов битов. Необходимость хранить эту информацию далеко не исчерпывает количество возможных комбинаций всех элементов нервной системы. Ученые показали, что для этого достаточно тысячной доли общего числа нервных клеток. Человек отыскивает в памяти нужную информацию в среднем за несколько десятых секунды; значит, скорость этого поиска должна быть около 50 миллиардов битов в секунду.

Лучшие из современных запоминающих устройств отыскивают за одну пятидесятую секунды информацию, записанную на магнитных дисках, вращающихся со скоростью 50 оборотов в секунду. Емкость такой памяти - примерно миллиард битов. Человек и машина в настоящее время отыскивают информацию с равной скоростью, но техника в этой области очень быстро прогрессирует, так что она может обогнать человека.

Запись информации в памяти человека принципиально отличается от записи в искусственной памяти. В машине материал классифицируется по адресу, в нее достаточно ввести информацию один раз и в любом порядке. В человеческой памяти необходимо установить ассоциации, которые впоследствии помогут отыскать эту информацию. Так налаживается связь между кратковременной и долговременной памятью. На этой важнейшей стадии восприимчивость к внешним помехам повышена. Мы уже познакомились с химическими веществами, тормозящими процесс запоминания. На него могут влиять и другие факторы. Так было отмечено влияние электрошока на обучение крыс в лабиринте. Если крысы подвергались электрошоку через несколько часов после тренировок, это не сказывалось на их поведении. Но если электрошок наступал всего через пять минут после окончания тренировки, крысы начисто забывали все, чему научились. Заметное влияние электрошока наблюдалось в интервале до пятнадцати минут после окончания тренировки.

Эти и многие другие эксперименты показали, что в процессе передачи информации в долговременную память важную роль играют нервные импульсы, потому что нарушение их передачи электрошоком нарушает и передачу информации. Возможно, страдает так называемое нейрональное кольцо. Кольцо играет всего-навсего роль передатчика. Физиологи подтверждают возможность существования такого кольца. Кольцо включает в себя зрительные бугры, куда обязательно передается вся чувственная информация (кроме обонятельной), гиппокамп и ряд других отделов мозга.

Существенная роль этого кольца в передаче информации из кратковременной памяти в долговременную подтверждается патологической физиологией. Изучение последствий травм всегда было важнейшим методом в науке: разрушая орган или связь между органами, можно наблюдать явления, которые при этом возникают. Совершенно ясно, что здоровому человеку никто не решится нанести подобные травмы, но нередко сама болезнь производит в мозгу разрушения, которые обнаруживаются при вскрытии. Видов заболеваний памяти, или амнезии, много; некоторые из них весьма причудливы: больной, например, прекрасно помнит все, что с ним случилось раньше, но абсолютно не способен запомнить новые события. Он никак не может привыкнуть к своей палате и не узнает своего врача. Вскрытие показывает, что этот вид амнезии связан с нарушениями в области гиппокампа: они прерывают циркуляцию информации. Экспериментальная физиология подтверждает данные патологической. Опыты на осьминогах показали, что их примитивный мозг является превосходной естественной моделью. В нем можно вызывать соответствующие нарушения и наблюдать сходные последствия.

Из всего сказанного вытекает вполне достоверный вывод: кратковременная память представляет собой деполяризацию на уровне синапсов, которая сочетается с циркуляцией нервных импульсов по определенным замкнутым контурам. Для закрепления информации в долговременной памяти необходимо, по-видимому, чтобы она достаточно долго циркулировала по контуру. Что получается при таком повторяющемся возбуждении? Оно, несомненно, влияет на синтез молекул протеинов, которые служат субстратом долговременной памяти. Заметим, что состав этих сложных химических веществ не отличается большим разнообразием. Материальная основа запоминания образа представляет собой кольцо клеток, измененных присутствием специфических протеинов. И это, кстати сказать, исключает заманчивую возможность передавать знания путем инъекций протеинов.

Выше мы задавались вопросом: рассеяна ли память человека по всей нервной системе? Похоже на то, что теперь мы имеем право утвердительно ответить на этот вопрос. А это уже шаг вперед. Инженер-бионик может и должен найти здесь новые идеи, применение которых в конструировании вычислительных машин обещает быть чрезвычайно интересным. Теперь попытаемся ответить на другой вопрос: как объяснить громадную емкость человеческой памяти? Зависит ли она от того, что нейроны сгруппированы в высокоорганизованные структуры, или от того, что они связаны между собой какими-то необъяснимыми связями? Ответа на вопрос пока что нет, хотя сейчас ведутся очень активные исследования в этой области, так что успех, по-видимому, не за горами. Но сначала нужно гораздо глубже изучить проблему хранения информации.

Голографические следы

Голография обладает рядом свойств, которые представляют интерес для нейрофизиологии. Главным из них является свойство распределенности, которое присуще лишь голографическим процессам. Это свойство, являющееся характеристикой определенного типа голограмм, позволяет по любой малой части голограммы полностью восстанавливать записанную на голограмме исходную картину. Этот и некоторые другие факты наводят на мысль, что предположение о наличии нейроголографических процессов в мозгу может оказаться весьма полезным при исследовании процессов кодирования сенсорной информации и процессов запоминания.

Математические модели, опирающиеся на известные элементарные нейрофизиологические процессы, могут описывать также и нейроголографические процессы. Это осуществляется с помощью уравнений, заимствованных из оптической голографии, которые дискретизируются в пространстве и времени и преобразуются таким образом, чтобы сделать возможной замену формы нервного спайка набором синусоидальных колебаний, используемых в оптической голографии. Голография, основанная на преобразовании Фурье, вероятно, лучше всего подходит для создания первых нейроголографических моделей.

Ф. Вестлейком [19] было предложено объяснение возможного соответствия или изоморфизма пространства состояний голографического процесса с пространством состояний процессов нервного кодирования. На уровне голограмм наиболее вероятным является, во-первых, соответствие между фазой электромагнитной осцилляции и внутриспайковым интервалом и, во-вторых, соответствие между амплитудой и высотой нервного импульса. При необходимости высота импульса на нейроголограмме может быть ограничена и закодирована двоичной переменной "импульс - нет импульса", что позволяет изменять при желании контрастность "серых пятен", возникающих при реконструкции изображения исходного объекта-стимула. Имеются нейрофизиологические данные, указывающие на то, что высота импульса, возникающего в плоскости объекта-стимула, может быть закодирована в терминах "когерентности - некогерентности", что хорошо согласуется с нейроголографическими процессами.

Если количество информации (в бит/с), проходящей между двумя обрабатывающими информацию поверхностями, превышает пропускную способность нейрона, то в таких случаях, как правило, используется несколько нейронов. Можно сказать, что совокупность или сумма отдельных носителей информации образует "волну информации". Такая волна информации может быть в общем случае представлена линией или поверхностью, проходящей через индивидуальные различающие метки, которые характеризуют или кодируют эти отдельные порции информации, какого бы рода они ни были.

При исследовании процесса прохождения волны через поверхность обычно рассматривается вся информация, которая может пройти через такую поверхность. В оптике подобный подход привел к формулировке принципа Гюйгенса-Френеля-Кирхгофа. Если рассмотреть процессы физической записи и воспроизведения волнового фронта, проходящего через отверстие диафрагмы, то опять-таки в рамках этого подхода нельзя не упомянуть о голографии, ибо голография является первым, наиболее общим описанием метода, в котором имеется возможность зафиксировать всю поступившую информацию.

Вполне возможно появление и других методов регистрации фазы или относительных временных изменений по крайней мере в области неоптических частот и, может быть, при исследовании неэлектромагнитных волновых процессов. Но в любом из подобных случаев там, где имеются относительные изменения многих повторяющихся временных циклов, удобнее рассматривать в качестве эталона для сравнения какую-то другую циклическую активность, а не фиксированный момент времени, чтобы избежать необходимости подсчета информации во всех этих циклах.

В этом смысле голография, возможно, является единственным приемлемым процессом для записи всей волновой информации. Вполне резонно допустить, что при рассмотрении любых волновых процессов, которые включают нейроволновые процессы^*, голографический процесс (в отличие, скажем, от прямого фотографического процесса, в котором не регистрируется фазовая информация) может оказаться наиболее пригодной основой для разработки теории записи и восстановления нейроволновых фронтов^**, хотя сами процессы распространения подобных волн могут отличаться в деталях.

^* (Процессы, происходящие при работе мозга и описываемые в виде "мозговых волн").

^** (Нейроволновой фронт - волновой фронт электрических колебаний, возбуждаемых в мозге при передаче нервного импульса).

Волновые интерференционные теории мозга имеют уже довольно долгую историю, которая восходит к 1906 г. Следует указать на два значения понятия "интерференционная теория". Одно применяется некоторыми психологами в теории обучения для объяснения явлений затухания в памяти. Там говорится, что новая информация "интерферирует" со "следами", описывающими "старую" память, что приводит к забыванию запомненного ранее материала. Второе толкование этого термина связано с явлениями интерференции двух волн. Не исключено, однако, что совокупный анализ обоих истолкований обнаружил бы в них определенную общность.

Волновые интерференционные теории рассматривались и ранее. Особо следует отметить выводы Лэшли, которые во многом соответствуют идее нейроголографического процесса. Следует отметить попытку Лэшли ввести понятие "эквивалентность стимулов" [19]. Понятие "эквивалентность стимулов" применялось рядом психологов, исследовавших процессы восприятия, для объяснения того факта, что иногда разные стимулы вызывают одинаковые внутренние или внешние реакции у организма. Примером такой эквивалентности стимулов является инвариантное к сдвигам распознавание образов.

В нейрофизиологии нетрудно привести примеры, указывающие на необходимость существования процессов распознавания образов, инвариантных к размерам и смещениям образов. В других понятиях это можно выразить как необходимость введения эквивалентности стимулов, в пределах которой не учитываются определенные изменения стимулов, включающие изменения масштаба и относительные смещения.

Прежде всего экспериментально было показано, что распознавание образов вполне может быть осуществлено с использованием голограммы, причем такое распознавание инвариантно к смещениям объекта. Распознавание, инвариантное к размерам, также может быть осуществлено с помощью определенных типов голограмм. Было показано, что размер восстанавливаемого изображения может быть сделан большим или меньшим, в зависимости от частоты монохроматического когерентного источника, используемого для восстановления волнового фронта. При аналогичной нейрональной интерпретации процесса восстановления изображения можно допустить наличие изменений в частоте когерентной генерации нейронов, участвующих в "высвечивании" "следов" в памяти. Проблема нейронального распознавания образов имеет по крайней мере два аспекта:

1) уровень, на котором имеет место распознавание;

2) уровень, на котором происходит запоминание информации.

По первому пункту можно сказать, что поскольку распознавание должно быть инвариантно к размерам и смещениям объекта, процесс распознавания не может быть "сугубо нейрональным" в плане рассмотренных выше слоев нейронов. Маловероятным при этом представляется наличие специфических нейронов, реагирующих только на определенные параметры приходящих стимулов. Голографические же процессы, наоборот, допускают наличие такого неспецифического распознавания образов. И хотя голографический процесс не является, конечно, единственным средством для реализации подобного распознавания образов, тем не менее это единственный из известных в настоящее время физических методов, который реализует это распознавание с помощью распределенного кодирования. Аналогичные соображения могут быть высказаны и по второму пункту.

Одно из главных затруднений при понимании этой проблемы в прошлом доставлял, пожалуй, следующий парадокс: как согласовать требование, чтобы информация запоминалась не "специфическими" нейронами, а каким-либо другим, например эквипотенциальным, образом, что предусматривает наличие "эквивалентности стимулов", с требованием, чтобы подобное запоминание все же приводило к образованию определенных "следов" в нейронах.

Голография и является процессом, который удовлетворяет этим требованиям. В плане указанного парадокса следует отметить, что информация об амплитуде и фазе каждой точки видимой поверхности объекта запоминается в виде соответствующих записей в каждой точке поверхности голограммы. Главной отличительной чертой этого процесса является то, что хотя информация о каждой точке объекта хранится на всей поверхности голограммы, это все же допускает восстановление изображения исходного объекта.

Процесс распознавания образов имеет много общего со свойствами ассоциативности памяти. Это справедливо как для оптической голограммы, так и для биологической памяти. С помощью голографических процессов объясняются различные свойства ассоциативности памяти, что можно показать на следующем примере.

Воспоминание А в ассоциации с воспоминанием В вырабатывает комбинированный след. В такой билатеральной ассоциации всякий раз, когда этот комбинированный след возбуждается импульсом в форме воспоминания А или воспоминания В, реакции представляются в виде воспоминания В или воспоминания А (другими словами, в виде двойника в образуемой ассоциации).

В оптических голограммах имеются по крайней мере три различных явления, представляющие точную аналогию указанной ассоциативности. Эти явления таковы:

а) При определенных условиях два отдельных монохроматических, когерентных по фазе источника А и В могут быть скомбинированы в одну голограмму, которая может затем быть использована для восстановления любой из первоначальных картин, если голограмму освещать светом от другого источника.

б) Если использовать те же интерференционные методы, что и в методе "а", можно заставить интерферировать друг с другом световые пучки от различных частей объекта. При определенных условиях полное изображение исходного объекта может, быть получено путем освещения голограммы пучком, являющимся частью исходного потока от объекта.

в) На одну и ту же голограмму могут быть наложены два или несколько изображений, которые могли быть сформулированы либо одновременно, либо друг за другом, как при фотографическом наложении кадров. В последнем случае восстановленные изображения могут быть разделены с использованием их различного пространственного расположения или путем изменения положения опорного источника. Следует указать также на то, что имеются, по-видимому, данные, указывающие на распределенный характер самой "ассоциативности памяти" (в отличие от основных следов памяти, рассматриваемых изолированно).

Наряду со свойствами инвариантного к размерам и смещениям распознавания образов и отмеченными тремя особенностями ассоциативности памяти, к числу голографических свойств, представляющих интерес для нейрофизиологии, относятся также свойства передачи объемности, цвета и движения исходного объекта. В оптическом случае была показана возможность такого двумерного представления объекта, которая допускает дальнейшее восстановление объемного изображения объекта; были проведены также работы по восстановлению цветных изображений объекта и передаче движения объекта.

Большая часть аргументов в пользу нейроголографии опирается на анализ общих характеристик, описывающих два вида голографических процессов.

В пользу нейроголографической гипотезы говорят следующие аргументы:

а) Поскольку голография является единственным известным процессом для записи как амплитуды, так и фазы распространяющегося волнового фронта, она может стать основным инструментом при исследовании нейроволновых процессов, допускающих тот или иной вид амплитудно-фазового представления.

б) Голография является единственным известным в настоящее время физически реализуемым методом, использующим распределенное кодирование. Можно сказать, что такая распределенность в каком-то смысле удовлетворяет законам Лэшли [19].

в) Хотя инвариантное к размерам и смещениям распознавание образов типа "а" ассоциативности памяти, объемность, цвет и движение объекта могут быть переданы различными способами, голография является единственным известным методом, в котором для этого используются распределенные характеристики.

г) Голография является единственным известным методом для выработки ассоциативности типа "б" (см. стр. 49) простым путем и с использованием соответствующей распределенности. Ассоциативность типа "б" есть весьма общий тип ассоциативности, где в базисе ассоциации учитывается только одновременность воспринимаемых событий.

Одно из самых ранних подтверждений, говорящих в пользу нейроголографической гипотезы, было высказано на основе экспериментов с удалением мозгового вещества. Имеются эксперименты, свидетельствующие о сохранении зрительных ощущений у человека, несмотря на значительные разрушения в середине зоны. Имеются также нейтроанатомические свидетельства о диффузной нейрональной связности, которые могут быть привлечены для нейроголографического объяснения таких явлений, как полиопия, когда человеку кажется, что наблюдаемый им предмет распался на много смещенных друг относительно друга тождественных изображений исходного объекта. Это явление можно объяснить с точки зрения голографической гипотезы, если допустить наличие нескольких восстанавливающих источников.

Некоторые аналогии голографических и нейрофизиологических процессов

В процессе голографирования "разбрасывание" информации по всей голограмме осуществляется обычно путем освещения объекта через рассеиватель, каковым может служить матовая стеклянная пластинка. Вид такой "диффузной" голограммы весьма необычен: она выглядит как картина шума. Такую голограмму можно назвать идеальным кодом Шеннона [3]. В своей книге "Теория связи" Клод Шеннон^* определил, что наиболее эффективным является кодирование, создающее впечатление исчезновения всех регулярностей сигнала, т. е. кодирование должно быть шумоподобным. Но где же содержится информация в этом хаосе? Можно показать, что этот хаос не настолько нерегулярен, как представляется на первый взгляд, и совсем непохож на песчинки, случайно разбросанные на пластинке. Дифракционная картина объекта, имеющая довольно сложную форму, повторяется через случайные интервалы, но всегда в одном и том же виде и в одной и той же ориентации. В ходе развития голографии наблюдалась интересная особенность: чем меньше голограмма становилась похожей на объект, тем более, совершенным получалось восстановленное изображение.

^* (Американский ученый, один из "отцов" кибернетики. По выражению академика А. Н. Колмогорова, "создал основы теории информации" (в предисловии к книге К. Шеннон "Работы по теории информации и кибернетике". Пер. с англ. М., ИИЛ, 1963)).

Еще более интенсивным и важным свойством диффузной голограммы является то, что любой небольшой фрагмент голограммы (достаточно большой, чтобы охватить дифракционную картину) содержит информацию обо всем объекте. Поэтому изображение объекта можно восстановить по фрагменту голограммы, правда с более интенсивным шумом. Таким образом, диффузная голограмма представляет собой элемент распределенной памяти. Данное обстоятельство вызвало догадки и вопросы о том, не является ли память мозга человека по своей природе голографической, поскольку хорошо известно, что значительная часть мозга может быть разрушена без "стирания" памяти. Следует указать, что аналогия между памятью человека и голограммой является чисто функциональной, но, конечно, не структурной.

Удивительное свойство голограммы, которое всегда отмечают, состоит в том, что каждый ее участок содержит информацию обо всем предмете. Голограмму можно разбить или разрезать на множество кусочков, и каждый из них будет давать изображение. В этом смысле голограмму следует сравнивать не с фотографией, а с зеркалом. Половина фотографии содержит изображение лишь половины всей сцены; половинка зеркала отражает предмет как обычное целое зеркало. Правда, чем меньше кусочек голограммы мы возьмем, тем хуже будет качество изображения. Края голограммы ограничат сечение пучка света, которым освещается голограмма, и нарушат тем самым монохроматичность пучка по отношению к направлениям. Пучок будет расходиться и не будет эквивалентен тому опорному пучку, в котором была изготовлена голограмма.

Интересно проследить и дальше аналогию между памятью голограммы и человеческого мозга. Действительно, когда мы стараемся запомнить какую-нибудь картину, то при малом времени наблюдения мы не фиксируем отдельных деталей. Лишь при достаточно длительном наблюдении оказывается возможным через определенное время вспомнить изображения с достаточно высоким разрешением.

Очень интересен процесс запоминания образов и последующего опознавания их. Например, мы легко и быстро запоминаем похожих друг на друга людей и вместе с тем нам требуется много времени, чтобы опознать двух малоизвестных нам животных, даже если они имеют более сильные отличия. Часто мы вспоминаем или даже видим какую-либо деталь и по ней воссоздаем образ в целом. Такая операция, как мы видим, также легко осуществляется с помощью голограмм.

На основе этих примеров (список их можно легко продолжить), естественно, нельзя преждевременно утверждать, что память человека построена на принципах голографии - такой вывод мог бы быть результатом лишь очень глубоких нейрокибернетических исследований. Тем не менее кажется, что голографические принципы записи и воспроизведения информации могут оказаться полезными для понимания процессов функционирования человеческой памяти. Это лишний раз убеждает в том, что будущее голографии может оказаться еще более интересным, чем это представляется на сегодняшний день.