[论文解读] The Quantum-Like Brain Operating on Subcognitive and Cognitive Time Scales

Andrei Khrennikov|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2007

Quantum Mechanics and Applications参考文献 69被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于量子类（QL）的脑功能模型，该模型在两个不同的时间尺度上运行：亚认知（超精细，~4.6 ms）和认知（粗糙，最高~100 ms）。该模型认为，大脑利用量子力学的数学形式体系——而非物理上的量子过程——通过概率振幅来表示和处理不完整的心理信息，从而实现更快的、非经典的认知。其主要贡献在于将QL认知与神经生理时间尺度（特别是脑电图节律）联系起来，其中γ波显示出最高的QL特性（κ ≈ 1.84），表明意识思维中存在类量子处理。

ABSTRACT

We propose a {\it quantum-like} (QL) model of the functioning of the brain. It should be sharply distinguished from the reductionist {\it quantum} model. By the latter cognition is created by {\it physical quantum processes} in the brain. The crucial point of our modelling is that discovery of the mathematical formalism of quantum mechanics (QM) was in fact discovery of a very general formalism describing {\it consistent processing of incomplete information} about contexts (physical, mental, economic, social). The brain is an advanced device which developed the ability to create a QL representation of contexts. Therefore its functioning can also be described by the mathematical formalism of QM. The possibility of such a description has nothing to do with composing of the brain of quantum systems (photons, electrons, protons,...). Moreover, we shall propose a model in that the QL representation is based on conventional neurophysiological model of the functioning of the brain. The brain uses the QL rule (given by von Neumann trace formula) for calculation of {\it approximative averages} for mental functions, but the physical basis of mental functions is given by neural networks in the brain. The QL representation has a {\it temporal basis.} Any cognitive process is based on (at least) two time scales: subcognitive time scale (which is very fine) and cognitive time scale (which is essentially coarser).

研究动机与目标

• 开发一种类量子（QL）认知模型，利用量子力学的数学形式体系解释心理过程，而无需假设大脑中存在物理量子系统。
• 通过聚焦于不完整数据的信息处理而非量子物理过程，将QL认知与还原论的量子脑模型区分开来。
• 将QL模型与神经生理时间尺度（特别是脑电图节律）整合，以解释意识如何通过概率表征从神经活动产生。
• 基于一个基本时间量子Q₀ = 4.6 ms，建立亚认知与认知时间尺度的层级结构，实现心理功能的多尺度QL表征。
• 证明QL处理在γ波段最为显著（κ ≈ 1.84），表明其在处理不完整信息时具有高度一致性，而较低频段（α、θ、δ）则表现出类经典处理。

提出的方法

• 使用冯·诺依曼迹公式计算心理功能的近似平均值，将量子力学规则应用于神经活动的概率表征。
• 将子认知时间尺度Q₀ = 4.6 ms（≈220 Hz）定义为QL处理中量化时间尺度的基准单位，该值源自经验性脑电图数据。
• 引入一个量子分辨率Q₀，并将认知时间尺度定义为整数倍：t_cogn = N × Q₀，其中N ≤ 30，受韦伯定律约束。
• 应用QL-ness参数κ = Q₀ / t_cogn，量化不同脑电图频段（α、β、γ、θ、δ）中量子类处理的程度。
• 将意识建模为无意识神经活动的QL投影，其中心理波函数代表复数概率振幅。
• 提出模型中的隐变量为神经状态，但QL计算源于集体神经动力学，而非单个神经元的叠加态。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子力学的数学形式体系能否在不假设大脑中存在物理量子过程的前提下应用于认知？
• RQ2 亚认知与认知时间尺度如何与大脑对不完整信息的类量子处理相关联？
• RQ3 脑电图频段（α、β、γ、θ、δ）在区分类经典与类量子信息处理中起什么作用？
• RQ4 QL意识模型与还原论的量子脑理论有何不同，特别是在无意识与有意识过程中的角色方面？
• RQ5 基于子认知时间尺度的层级结构能否解释认知功能的多尺度特性及其QL表征？

主要发现

• 子认知时间尺度被确定为Q₀ = 4.6 ms，对应约220 Hz的频率，源自经验性脑电图数据。
• QL-ness参数κ = Q₀ / t_cogn 量化了类量子处理的程度，其中γ波段（t_cogn ≈ 2.5 ms）表现出最高值（κ ≈ 1.84），表明强烈的QL特征。
• α波段处理（t_cogn ≈ 87 ms）的κ ≈ 0.055，表明QL-ness极低，呈现类经典信息处理特征。
• θ波段（t_cogn ≈ 125 ms）和δ波段（t_cogn ≈ 500 ms）的κ值分别为≈0.037和≈0.009，表明QL-ness可忽略不计，与经典认知一致。
• 认知时间尺度被限制为Q₀的整数倍（t_cogn = N × Q₀），且N ≤ 30，受韦伯定律约束，以确保行为一致性。
• 该模型支持一种多尺度QL框架，同一认知时间尺度可通过不同子认知时间尺度支持多种心理功能，因此‘子认知’与‘认知’是相对于任务而言的相对概念。