Серия «Медицинская физика и биофизика интеллекта»

Русский текст учебного пособия Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) (IAEA) является препринтом и неофициальным переводом до передачи авторских прав на перевод МАГАТЭ и окончательной корректуры под общей редакцией: д.ф.-м.н. Богатов Н.М., д.м.н. Еремин А.Л., д.м.н. Поморцев А.В., к.ф.-м.н. Григорьян Л.Р., к.ф.-м.н. Коваленко М.С.– ФГБОУ ВО "Кубанский государственный университет". Первичный перевод выполнен магистрантами направления "медицинская физика": Гассий М.В., Дуноян Г.В., Копылов Н.В.,Кузнецов З.Л., Фёдоров И.В., Шилов В.П. Макет выполнен в максимальном приближении к оригиналу на английском языке, размещенном в открытом доступе: https://www.iaea.org/publications/8841/diagnostic-radiology-physics

Моделирование методом послойного наплавления — аддитивная технология, используемая при создании трёхмерных моделей, fused deposition modeling (FDM). Лазерная стереолитография (SLA) — технология 3D‑печати, основанная на послойном отверждении жидкого материала под действием луча лазера. Cura — слайсер 3D-моделей с открытым исходным кодом для 3D-принтеров.

Восстановленная, отредактированная и обработанная с помощью программ Blender и Meshmixer 3D-модель мозга была заламинирована в Cura, чтобы установить необходимые параметры для оптимального качества печати и убедиться, что внутренний объем достаточен для многослойной светодиодной структуры. Для получения печатной модели параметры печати были настроены с помощью программы ламинатора UltiMakerCura на принтере FDMEnder3. Модель мозга была напечатана по технологии FDM с использованием полиэтилентерефталатгликоль (PETG). Для визуализации светового потока от светодиодов различной цветности, связанных с каждой координатой, был использован полупрозрачный материал

Для программирования светодиодных массивов был создан лист Excel с использованием конкатенированных формул для задания яркости, положения и значений переменных, необходимых в коде микроконтроллера. Основываясь на расположении каждой из зон активации нейронов, светодиоды были запрограммированы на активацию в соответствующей области трехмерного пространства мозга с различными длинами волн для идентификации, сравнения парадигм и анатомических структур мозга.

Программирование многослойной структуры с помощью микроконтроллеров для отображения локализации активности психических функций в трехмерном пространстве мозга осуществлялось в несколько этапов:

- составление таблицы с кодом программирования, назначением переменных и распределением выводов для каждого слоя, чтобы управлять шаблонами освещения многослойной структуры;

- интеграция микроконтроллеров в многослойную структуру для управления каждым светодиодным массивом в отдельности; для обеспечения синхронизации световых потоков от многослойной светодиодной структуры была разработана сеть связи между микроконтроллерами;

- калибровка и проверка системы для обеспечения точного соответствия между местоположением активности мозга и световым потоком от светодиодных массивов, поведение тестов для подтверждения точности при отображении активности мозга.

Модель позволяла визуализировать мозговую активность в трехмерном пространстве мозга и, хотя ее разрешение не сравнимо с разрешением томографического изображения, с её помощью удается показать представление среднего объема вокселей, связанных с областями активации. Физическая модель обеспечивает анатомическую точность и по оптическим характеристикам в ходе испытаний демонстрирует визуализацию умственных функций мозга.

Работа выполнена в Кубанском государственном университете на физико-техническом факультете: научное руководство и идея - д.м.н. Еремин А.Л., организация магистратуры выпускающей кафедры физики и информационных систем - д.ф.-м.н. Богатов Н.М., основной исполнитель - магистрант специальности "физика (медицинская физика)" Рейес-Монкада А. (Республика Колумбия)

Источники, полнотекстовые статьи:

Еремин А.Л., Богатов Н.М., Рейес Монкада А. Нейрофизическая программируемая модель визуализации локусов умственных функций в мозге // Биомедицинская радиоэлектроника. 2025. T. 28. № 1. С. 6−17.

Еремин А.Л., Рейес Монкада А. Матрица локусов психических функций в трёхмерном пространстве мозга по данным нейровизуализации фМРТ // Современные проблемы физики, биофизики и информационно-коммуникационных технологий. Краснодар: ЦНТИ, 2023. – С. 84-100.

Формулы – мемы. Формула в физике, математике и других естественных науках (от лат. formula — уменьшительное от forma — образ, вид) — символическая запись высказывания, которое выражает логическое суждение. К мемам можно отнести формулы - связи между физическими величинами, краткий способ выражения информации в символической форме, как в математической формуле, общей конструкции, описывающей взаимосвязь между заданными величинами. 400-летняя история определения формул энергии (греч. – взаимодействие, деятельность) такова:

- в XVII веке в механике определены формулы энергии;

- в XVIII-XIX вв. в электродинамике - формулы энергии заряженной частицы и энергии магнитного поля тока;

- в XIX веке в молекулярной физике – формулы энергии поступательного движения молекул и энергии хаотического теплового движения молекулы;

- в XX веке в теории относительности – формула энергии тела, а в ядерной физике – формула энергии связи атомного ядра. Вклад в открытие формул энергии различных видов материи внесли Исаак Ньютон, Джеймс Максвелл, Людвиг Больцман, Альберт Эйнштейн, Макс Планк и другие великие ученые.

Единицы измерений – мемы от физических констант. В 2018 году Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) одобрила знаменательную трансформацию: четыре из семи основных единиц СИ, указанных в Международной системе единиц, были переопределены в терминах естественных физических констант, а не искусственных объектов, таких как стандартный килограмм. С 2019 года, килограмм, ампер, кельвин и моль теперь определяются путём установления точных числовых значений, выраженных в единицах СИ, для постоянной Планка (h), элементарного электрического заряда (e), постоянной Больцмана (kB) и постоянной Авогадро (NA) соответственно. Секунда, метр и кандела ранее были переопределены с использованием физических констант

Мемы физики, появляющиеся с «мыслительными экспериментами». Гением мыслительного эксперимента в экспериментах в физике и философии считают Альберта Эйнштейна [Horowitz et al., 1991], который ввел в физику и понятие «наблюдатель» (Beobachter) [Einstein, 1905]. Методологический подход с использованием «Наблюдателя» был обоснован и реализован: в квантовой механике в феномене «кота Шредингера» [Schrödinger, 1935], ранее в 1867 в термодинамике и теории информации в феномене «демона Макcвелла» [Bennett, 1987], а так же в «пространстве Минковского» [Carroll, 2019], «координатах Борна» [Born, 1909], «парадоксе Эренфеста» [Ehrenfest, 1909], «излучении Хокинга» [Hawking, 1974], «эффекте Унру» [Unruh, 1976], «барионной асимметрии Вселенной» Сахарова [Сахаров, 1991], «координатах Риндлера» [Rindler, 2006], «парадоксе Белла» в квантовой философии [Bell, 2004] и пр.

Результаты мыслительных экспериментов в науке: творчество (креативность), озарение (инсайт), эврика, эмерджентность (появление) новой идеи – синтез новой информации по закономерностям синергетики, объединения информации, аналитико-синтетической высшей нервной деятельности для определений целей и стратегий естественнонаучного познания, мозговых штурмов, последующей проверки опытным, экспериментальным путем. В этом ряду: эврика Архимеда при открытии фундаментального принципа механики жидкости; инсайт Ньютона при определении всемирного закона тяготения; ассоциация Резерфорд в сравнении строения атома с планетарными системами; инсайт Максвела, иллюстрирующий парадокс второго начала термодинамики; инсайт Шредингера, объясняющий парадокс квантовой суперпозиции; прогноз Эйнштейна, в общей теории относительности, о том, что луч света должен искривляться в гравитационных полях.

Возможно предположить, что запоминание и распространение мемов физики с помощью повторения мыслительного эксперимента в образовательном, педагогическом процессе, исследовательском и дидактическом плане, можно отнести к приему мнемотехники, способствующему лучшему пониманию и запоминанию физического феномена у последующих поколений.

Модели распространения мемов в популяции: динамики их эволюции во времени, запоминания/забывания поколениями, "мемы важных знаний", "взлет и падение мемов", "инфопандемия мема".

1, население Земли, человечество; 2, модель "мемы важных научных знаний", на примере признания сферичности Земли и гелиоцентризме; 3, модель "взлета и падения мемов" – распространения среди популяции и "забывания" – прекращения передачи новым поколениям информации; 4, модель "инфопандемии мема" современного скоростного ИКТ-распространения актуальной в современности для индивидуумов и популяции информации.

Модель "мемы важных научных знаний": время появления и распространенность в популяции. Для общего принятия человечеством знаний, в частности физики, - необходимо время. Так, считается что идея о том, что Земля круглая, появилась ~ в VI веке до н. э., для общего признания понадобилось ~22 столетия при экспериментальном подтверждении сферичности ~ в XVI веке; появление предположения о том, что Земля вращается вокруг Солнца, относят ~V веку до н. э., также понадобилось ~22 столетия до общего признания гелиоцентризма ~ в XVI-XVII вв. Данные о распространенности этих знаний среди всего населения Земли отсутствуют. Эти знания являются фундаментальными для ряда сфер участия и деятельности человека и человечества, прогностически актуальными для расширения направлений активности и широко распространены.

Признание-распространенность-наследование относится не только к глобальной популяции человечества, но и к научному экспертному сообществу, в том числе физиков, где может работать «закон Стиглера» [Stigler, 1980] - научное сообщество принимает идеи, только когда они согласуются с актуальным состоянием науки.

ИСТОЧНИК: Еремин А.Л., Гассий М.В. Мемы физики и физика мемов: нейрофизика и психофизика интеллекта. В кн. Современные проблемы физики, биофизики и инфокоммуникационных технологий. Краснодар: ЦНТИ, 2024. С.5-27. https://www.researchgate.net/publication/390160935_MEMES_OF_...