Сознание – свойство живой материи организовывать информацию о собственной структуре

Большинство теорий сознания в вычислительном мейнстриме – от предиктивного кодирования до принципа свободной энергии – исходят из того, что мозг строит прогноз, а после его реализации результату присваивается оценка «хорошо/плохо». Но тогда остается трудная проблема сознания (hard problem): если прогноз – это чистая вычислительная операция, непонятно, зачем нужно переживание радости или горя. И даже если мы опишем все вычисления мозга, остается неясным, как и каким образом мозг порождает сознание?

Остальные подходы либо отрицают сам предмет спора (иллюзионизм: феноменальное сознание объявляется иллюзией, а квалиа – интроспективной ошибкой), либо предлагают принципиально иные, невычислительные основания возникновения сознания (панпсихизм: сознание как фундаментальное свойство материи; квантовые теории: сознание связано с невычислимыми физическими процессами).

В этой статье я хочу показать, что, если проследить эволюцию информационных потоков от РНК, а начинать не с уровня человека, можно увидеть, что порядок вычислений, начинается не с прогноза и сознание это не порождение мозга - это общий принцип всей живой материи – организовывать информацию о собственной структуре.

Общий принцип организации информационных потоков заключается в том, что все живые организмы сначала оценивают входящие (внешние и внутренние) сигналы, затем на основании накопленной памяти обо всех предыдущих состояниях самого организма осуществляют прогноз изменения своего внутреннего состояния. Это не вычисление будущего и не модель внешнего мира, это упреждающий поиск в сохраненной памяти собственных состояний и воссоздание нужной биохимии чтобы избежать или приблизить то или иное событие.

Затем через изменённую биохимию совершается действие, и результат действия сравнивается с прогнозом. Положительный результат подкрепляет прогноз и порог его срабатывания снижается, делая его вероятностным, отрицательный его не устраняет, а повышает порог срабатывания этого прогноза.

Поэтому мы рассматриваем сознание как свойство всей живой материи организовывать информацию о собственной структуре. Человеческое сознание в этой рамке – частный случай: видоспецифическая форма той же организации информационных потоков.

От РНК до человека: как организованы информационные потоки о собственной структуре

Теперь давайте посмотрим, как реализовано сознание на разных уровнях организации живых организмов, чтобы рассмотреть непрерывность этого принципа.

На клеточном уровне принцип реализован через механизмы мРНК. Клетка считывает сигналы, а РНК ускоряет или замедляет соответствующую биохимическую реакцию – на основании данных, закреплённых в последовательности нуклеотидов. Однако для этого клетке нужно соприкоснуться со средой: то, с чем не было контакта еще не имеет следа в этих данных.

Оценка идёт после контакта через прямые реакции. Память реализована в последовательности нуклеотидов, закреплённых отбором. Результаты прогноза на клеточном уровне регулируются естественным отбором, последовательность, которая обеспечивает устойчивость и размножение, воспроизводится чаще, неудачные варианты РНК погибают.

На уровне работы нейронной сети этот же принцип сохраняется, как и на клеточном уровне, но теперь сигналы регистрируются уже нейронной сетью, которая позволяет обрабатывать разномодальные сигналы внешней и внутренней среды, а не только градиент. Нейронная сеть сохраняет память не об отдельных химических реакциях, а о нейромедиаторном состоянии организма в виде активации определенных нейронных последовательностей. Информация кодируется в виде активации определенной последовательности нейронов.

Нейронная сеть оценивает, срабатывало ли подобное состояние раньше и с каким исходом. Оценка и прогноз нейронной сетью теперь реализуются через изменение биохимического состава организма животных. Сам гормональный профиль при этом остаётся неизменным для вида и закодирован в ДНК.

Через изменённую биохимию совершается движение или запускается физиологический ответ. Результат действия нейронной сетью сравнивается с прогнозом. Если результат совпал с воссозданной химической картиной, прогноз подкрепляется, и порог его срабатывания снижается.

Если не совпал, прогноз не устраняется, а порог его срабатывания повышается. За счёт этого поведение становится для отдельной особи более гибким, не меняя поведение и ДНК вида. Каждая отдельная нейронная сеть чаще воспроизводит то, что подкреплялось, и реже то, что не подкреплялось, позволяя адаптироваться в течение жизненного цикла, чего не было на клеточном уровне.

И тогда видно и принципиально вычислимо, какую функцию выполняют переживания, они не побочный эффект вычислений нейронной сети. Ощущения (в виде изменений гормонального и нейромедиаторного профиля) и есть форма, в которой нейронная сеть имеет доступ к собственному состоянию организма животных, поэтому вопрос «почему это ощущается» не требует отдельного ответа.

Неприятные переживания - это памяти о биохимии нежелательного состояния, например, о разрушении организма животного, заложенной генетически для всего вида, в форму, которую нижний метаболический уровень можно прочитать здесь и сейчас. Такой прогноз позволяет не уничтожать особь, чтобы она «узнала», что определённое состояние опасно, вместо этого она почувствует боль и изменит траекторию поведения.

Тот же самый механизм работает и в обратную сторону для положительных переживаний, генетически закреплённая память об условиях, благоприятных для репликации и выживания (доступ к ресурсу, безопасность, близость сородича), точно так же воспроизводится через изменение гормонального профиля случившегося успеха.

Организму животных не нужно каждый раз заново «рассчитывать», какие именно сейчас условия, нейронная сеть воссоздаёт ту же самую химическую картину, которая закреплена как награда или риск повреждения, и это переживается как удовольствие или неприятные ощущения. Это и есть единственный способ, которым организмы животных могут использовать химические взаимодействия для инициации поведения, не нарушая известные нам законы химии и физики.

Такое описание позволяет ответить на вопросы об эволюционном значении памяти и переживаний, то есть феноменального опыта – как необходимых элементов вычислений траектории собственного движения на уровне работы нейронной сети у животных (в клеточных организмах это остаётся на уровне биохимических изменений).

Кроме того, этот подход показывает, что память и переживания являются обязательным, но не достаточным условием появления человеческого сознания. Миллионы животных обладают памятью и переживанием, но не сознанием в человеческом смысле.

И на уровне работы человеческого сознания этот принцип сохраняется, только теперь он переходит с уровня нейронной сети на уровень организации нейронных ансамблей, память у человека реализована уже не просто о последовательности нейронов, а их устойчивых динамических нейронных ансамблей.

Нейронный ансамбль представляет собой устойчивую группу нейронов, которая активируется совместно и удерживает след объекта во времени. В отличие от отдельного сигнала, ансамбль сохраняется после исчезновения стимула и может быть использован как вход для следующего уровня. Различие между человеческим сознанием и сознанием животных заключается в том, что у нас на протяжении всей жизни сохраняется один динамический ансамбль собственной личности, а у животных он формируется устойчиво только в отношении других объектов или отдельных собственных признаков у высших животных.

Сознание человека заключается в нашей способности организовывать собственное сознание (то есть сознание, присущее животным нашей эволюционной линии)

Сознание человека в нашем подходе представляет собой видоспецифическую форму сознания живой материи, определяемую генетически заданной архитектурой организма человека.

Сознание человека заключается в его способности организовывать собственное сознание (то есть сознание, присущее животным и предшествующим этапам эволюции линии человека и реализованное в мозговых структурах) через интеграцию коллективного опыта нашего вида в знание и возвращение его в собственное сознание через петлю обратной связи, реализованную телесно в форме переживаний. И теперь наши мысли выполняют функцию положительной и отрицательной обратной связи между потоками коллективного знания и сознания, присущего животным, нашей эволюционной линии.

Сознание человеку не присуще от рождения, только генетическая возможность его реализации, окончательно оно формируется в процессе воспитания. Генетически заданная архитектура и социальная среда являются необходимыми условиями для формирования человеческой формы сознания; однако базовое сознание как свойство живой материи присуще человеку с момента зачатия. Человеческая форма сознания, как способность организовывать собственное сознание через коллективный опыт, может быть нарушена, утрачена или не сформирована вследствие физиологических нарушений или отсутствия среды, при этом более фундаментальные уровни сознания, свойственные животным и простейшим, могут сохраняться.

Время является главным ресурсом эволюции сознания живой материи. Каждый новый уровень организации возникает тогда, когда система выигрывает дополнительное время между сигналом среды и собственной реакцией на обработку информации.

Чем больше времени получает система для обработки информации, тем сложнее становятся её регуляторные контуры и тем больше степеней свободы она приобретает. Именно этот выигрыш времени компенсирует стоимость усложнения организации живых существ: дополнительные затраты ресурсов на поддержание более сложной системы окупаются повышением точности регуляции, расширением диапазона возможных реакций и увеличением вероятности сохранения системы.

Знания позволяют человеку экономить время, используя уже накопленную тысячелетиями информацию о возможных исходах вместо повторного перебора вариантов. Это сокращает время между сигналом и реакцией и делает сознание эволюционно выгодным без наращивания биологической сложности.

Напротив, человек утратил многие физические качества, которыми обладают даже приматы – мышечную массу, скорость, остроту зрения и слуха, устойчивость к внешним условиям и т.д. Но эту утрату он компенсирует технологиями, которые являются материализованным знанием, вынесенным вовне. Технологии – это не просто «инструменты», а внешние контуры организации информации, которые позволяют человеку действовать в среде с эффективностью, недоступной его телу.

Важно отметить, что все уровни, начиная с клеточного, работают на своём уровне, наверх передаётся только ошибка, потому что верхний уровень не разрушает предыдущий, а устанавливает гейн-контроль, то есть изменение чувствительности и порогов срабатывания нижележащих петель без изменения самих сигналов.

Базовая матрица потребностей живых организмов: репликация и ресурс

Теперь, когда мы обозначили общие принципы работы сознания живых организмов в целом и человеческого сознания, в частности, остаются две важные темы: как происходит оценка входящих сигналов и как реализовано сознание человека, но для этого необходимо снова вернуться на уровень РНК.

Сигналы фильтруются не просто как ±, а по базовой матрице «репликация ± / ресурсы ±», которая остаётся неизменной у всех живых организмов. РНК реплицируется, но с момента появления липидной оболочки появляется вторая необходимость – ресурсы на её поддержание. Эти две бинарные оси задают четыре направления отбора: к ресурсу и от ресурса, к репликации и от репликации. Начиная с клеточного уровня мы находимся в динамическом неравновесии, потому что эти двухмодальные (±) цели конкурируют между собой и всегда требуют баланса. Поэтому базовая матрица жизнедеятельности всех живых организмов состоит из пересечения двух этих осей.

На уровне работы нейронной сети этот принцип сохраняется, но усложняется. Базовая матрица остаётся той же, но теперь она реализуется не через прямые химические реакции, а через поведение, память и метаболическую цену. Например, месть примата – это сохранение доступа к ресурсам и размножению, но с учётом цены метаболизма: действие запускается не тогда, когда стимул максимален, а когда соотношение выгоды и затрат смещается в пользу действия. Например, мыши, которые вкладывают всё в быструю репликацию и почти не накапливают ресурсы, и утконос, который, наоборот, инвестирует в устойчивое тело и долгое выживание. Это не разные матрицы, а разные точки баланса на одних и тех же осях: репликация ± и ресурсы ±.

На уровне человека сохраняется то же самое, но теперь баланс смещается в сторону соотношения между обществом и индивидуальными потребностями. Каждый новый уровень добавляет эскалацию расчётов поведения: больше переменных, длиннее горизонт прогноза, сложнее связи между сигналами. Но в основе остаётся та же матрица. Общество становится новой средой, в которой те же две оси репликация/ресурсы реализуются через социальные структуры, нормы и коллективное знание. Меняется форма, но не базовый принцип: любое поведение, от инстинкта до мысли, в конечном счёте взвешивается по тем же двум осям, заданным ещё на уровне РНК/мембраны.

Уровни сознания животных: от инстинкта к чувству

Чтобы понять, как сформировалось сознание человека, нужно спуститься на один уровень ниже и рассмотреть, как организовано сознание у животных. Это не откат, а необходимое условие: верхний уровень не строится с нуля, он берет только гейн-контроль над нижним. Нейронные ансамбли, из которых формируется личность у человека уже существуют на уровне животных, значит, чтобы понять, что именно контролирует человеческое сознание, нужно сначала описать то, над чем оно надстраивается, иначе верхний уровень повиснет в воздухе.

Внутри нейронной сети у животных проходят три перехода и последовательно замыкаются долимбическая сенсо-моторная, лимбическая и неокортикальная петли обратной связи.

Таксисы и операционную память насекомых мы в этом разделе не рассматриваем. Нас интересует тот уровень, на котором регуляцию осуществляет уже сформированная нейронная сеть, потому что таксисы даже при её наличии по большей части остаются больше генетическими программами.

Долимбическая (сенсомоторная) петля – это уровень регуляции, который замыкается через стволовые и базальные структуры, до развития лимбической системы у животных.

На этом уровне регуляции поведение животных управляется инстинктами – жесткими фиксированными последовательностями действий, которые запускаются по ключу-стимулу, заданному генетически каждому виду животных и не требуют обучения, а сопровождаются определённым нейромедиаторным или гормональным профилем.

Переживания как медиаторный и гормональный профиль есть, животные реагируют на боль определенным биохимическим профилем, но память о них будет сохраняться только на следующем уровне, с развитием лимбических структур. При инстинкте гормональный фон всегда соответствует реальному обстоятельству, если опасность реальна – выделяется адреналин, если еда реальна – дофамин и память о них не сохраняется.

Генетические программы размножения, уход за потомством, миграции и т.д. запускаются по тому же принципу, только время накопления нейромедиаторов и сами программы отличаются длительностью. Остальная деятельность животных происходит почти как у простейших животных и клеточных организмов – работает операционная память.

В дальнейшем у части млекопитающих замыкается лимбическая петля обратной связи, при развитии ключевых структур мозга – миндалины, гиппокампа, гипоталамуса. Поведение у таких животных уже управляется эмоциями.

Эмоция предвосхищает инстинкт и запускается уже не просто по ключу-стимулу, а в пять стадий, которые сопровождаются определенными нейромедиаторными и гормональными профилями. Лимбические структуры не переписывают инстинктивные программы, а регулируют, насколько легко те запускаются, т.е. осуществляют гейн-контроль инстинктов.

Вначале ключ-стимул формирует внимание животных, однако инстинкт не запускается. Если сигнал повторится, происходит усиление, остальные сигналы приглушаются, мозг готовит моторику к действию. После пересечения порога накопления нейромедиаторов, подкрепляющих прогноз, запускается врождённая программа нападения, бегства и т.д., т.е. срабатывает инстинкт. Но она в отличии от инстинкта может прекратиться, если сигнал утихает, заканчивается запас АТФ или цель достигнута.

Затем нейронная сеть временно понижает значимость всех сигналов, в основном за счёт действия серотонина. Положительный результат подкрепляет прогноз и снижает порог его срабатывания – чувствительность к этому сигналу растёт. Отрицательный результат не устраняет прогноз, а повышает порог – чувствительность к этому сигналу падает.

У эмоций тот же гормональный и нейромедиаторный профиль, как и у инстинктов, но они различаются по продолжительности и силе действия. Эмоции уже не врожденные (врожденный только их профиль) и их бажа формируется за счет удлинения постнатального онтогенеза у некоторых животных. Тогда под защитой опекуна за счет пластичности уже лимбических структур происходит настройка срабатывания инстинктивных программ и накапливается статистика таких срабатываний.Таким образом, мы рассматриваем эмоции не как валентность (хорошо-плохо), а как память о срабатывании инстинктивных программ.

Такой подход дает вычислимость поведения животных, нейронная сеть запоминает уже сами последовательности выделений нейромедиаторов инстинктивных и может использовать результат инстинкта, например, дофамин, как прогноз выгоды. Именно здесь формируются собственно переживания, поскольку эмоции разнесены по времени с прогнозируемым событием.

Неокортикальная петля у высших животных замыкается за счёт гейн-контроля чувств над эмоциями, при этом животные рождаются ещё более незрелыми и зависимыми от матери.

Единственный объект, за которым детёныши вынуждены наблюдать во время моторной беспомощности, формирует правила запоминания объекта для нейронной сети. У животных формируются устойчивые динамические нейронные ансамбли, которые позволяют удерживать в памяти образ объекта. Память об объектах становится самостоятельным источником сведений о мире. В результате формируются чувства, которые по существу являются накопленной статистикой взаимоотношений с объектами. У животных строгая иерархия в группе становится пластичной.

На этом эволюция системы «тело–мозг» у высших животных, по сути, завершается. Дальнейшее развитие связано уже не с наращиванием структур головного мозга, а с возможностью сохранять и использовать причинно-следственные связи уже между нейронными ансамблями объектов.

Личность и сознание человека

И мы переходим ко второму вопросу, как и где реализовано человеческое сознание. Чтобы нейронная сеть могла совершать операции с нейронными ансамблями, ей нужна способность сохранять память не только об объектах, но и о транзакциях между ними – как изменится объект в ответ на моё действие, как изменюсь я сам в ответ на его действие. Также необходима возможность проверять результат анализа потока причинно-следственных связей, ограничивать этот поток и экологически тормозить более древние уровни регуляции инстинктов, эмоций и чувств.

Именно этим новым правилом и стал внутренний объект личности человека, реализованный в устойчивом динамическом нейронном ансамбле. У высших животных такой ансамбль тоже имеется, но не обладает такой устойчивостью, как у человека, они тоже узнают себя, но у них он нестабилен: распадается, перестраивается в зависимости от контекста и не удерживается как единый на протяжении жизни. У человека тот же механизм применяется к самому носителю и этот ансамбль становится устойчивым: он сохраняется, не распадается при смене ситуации и телесно укоренен – переживания относятся не к ситуации, как у животных, а к собственному телу.

Как формируется устойчивость нейронного ансамбля личности у человека? Ребёнок рождается беспомощным, с неразвитыми сенсорными каналами, но нейронная сеть уже запущена и в первые месяцы у него ещё нет телесной связи с матерью и ребёнок наблюдает только самого себя. Свободные конечности человека дают мозгу возможность проверять причинно-следственные связи на практике, а экологическим торможением предыдущих структур стала освобождённая диафрагма. Через дыхание мы можем сознательно менять собственное состояние. Чувства, эмоции, инстинкты при этом остаются каждый на своём уровне, но человек получает возможность оперировать самими нейронными ансамблями, а не только реагировать через них.

Нейрон – это одновременно и химия, и сигнал: мозг животных обрабатывает сигналы на своём уровне и переводит их на язык химии. Нейронный ансамбль личности человека устроен так же двойственно: с одной стороны, это просто память о себе как об объекте, с другой – он телесно укоренён и связан с определёнными телесными реакциями.

Таким образом, сознание человека – это процесс гейн-контроля его собственной личности над инстинктами, эмоциями и чувствами, то есть нейронным ансамблем личности (как устойчивого внутреннего объекта самого себя) над системой предыдущего уровня «тело-мозг», свойственного животным нашей эволюционной линии.

Мысль даёт возможность человеку оперировать причинно-следственными связями как самостоятельными единицами информации. Именно переход к гейн-контролю нейронными ансамблями есть то, что мы называем «человеческим сознанием». Все нижележащие уровни продолжают работать у нас внутри, но теперь высшая петля способна устанавливать гейн-контроль. Наша личность их может наблюдать, анализировать и перестраивать в длинные причинно-следственные цепочки.

Сверху вниз получается непрерывный градиент: мысль управляется произвольным вниманием и исчезает без него; чувство затихает вместе с гормоном, когда одна из эмоций реализовалась; эмоция обнуляется, как только миндалина убеждается, что угрозы нет; инстинкт срабатывает по жёсткому шаблону, пока не истощит внутренний цикл; клеточные процессы действуют, пока действует градиент среды.

На самом фундаментальном уровне работают таксисы, кинез и прочие клеточные реакции: элементарные векторные движения клетки или органа в сторону источника питания, света, градиента pH; здесь всю «вычислительную» работу выполняет распределение ионов и напряжение мембраны, без участия до определенного момента нейронов и гормонов.

Теория времени и сознания

В рамках современной когнитивной науки или даже нейронауки достаточно сложно описать сознание человека, потому что здесь задействован ряд факторов, лежащих за пределами самой нейронной сети.

Предлагаемый нами подход показывает, что сознание материально и объяснимо, но не является ни материей, ни энергией, ни эпифеноменом. Это свойство живой материи организовывать информацию о собственной структуре. Оно объяснимо законами естественных наук, связывая сознание с информацией, материей, энергией и временем. Такой подход предлагает взглянуть на онтологические парадоксы, включая «трудную проблему» (qualia, субъективный опыт) под иным углом, без введения новой онтологии.

Эта статья – один из фрагментов более широкой исследовательской программы «Теория времени и сознания» (ТВС). Это не доказательство и не формализация, а краткий пересказ глубокого исследования: развёрнутое обоснование, математические выкладки и эмпирические опоры собраны в препринтах и лекционном курсе ТВС. Рамка опирается на теорию диссипативных структур И. Р. Пригожина – неравновесную термодинамику, бифуркации и петли обратной связи. Здесь же дано лишь общее описание того, как развитие человеческого сознания рассматривается как последовательность переходов, возникающих при изменении правил собственной регуляции. Некоторые моменты сознательно упрощены до схемы, чтобы показать общую картину возникновения сознания человека.

Если вам интересны материалы «Теории времени и сознания», вы можете оставлять комментарии под этой статьёй, я читаю все и стараюсь отвечать по существу. Мы особенно заинтересованы в критике, контрпримерах и предложениях по формализации: теория междисциплинарна и открыта для проверки. Если вы работаете в нейронауках, эволюционной биологии, неравновесной термодинамике, теории информации, психологии, психиатрии или ИИ и хотите включиться в обсуждение или сотрудничество – напишите.