Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе

Как хранится информация в ЭВМ? Хранение бита (единицы информации) в машине требует устройства, которое может находиться в одном из двух состояний, например, такого как выключатель (включён или выключен), реле (открыто или закрыто) или флаг на флагштоке (поднят или опущен). Одно из состояний используется для обозначения 0, второе для обозначения 1.

В докомпьютерные времена был изобретён электрический триггер – это схема, которая на выходе имеет значение 0 или 1, и это значение остаётся неизменным до тех пор, пока управляющий сигнал, не заставит его переключиться на другое значение. Таким образом, триггер может находиться в одном из двух состояний, первое соответствует запоминанию двоичного нуля, другое – запоминанию двоичной единицы.

Чтение информации – это, по сути, проверка ответа триггера, в каком он сейчас состоянии 1 или 0.

Некоторые современные нейрокомпьютерщики, и я в том числе, считают, что нечто подобное происходит и в нейроне. Хотя большинство традиционно предполагают, что информация хранится в синапсах, или даже что носителем информации является сама связь между двумя нейронами. Это очень интересные модели, поддерживаемые скорее медиками нежели инженерами. Поэтому я в дальнейших рассуждениях буду исходить из гипотезы о том, что именно нейрон является элементарной единицей хранения информации.

Оригинальную и очень интересную мысль высказал в 1960-х годах известный советский вирусолог В. Л. Рыжков. Сущность её заключается в том, что информация в мозге фиксируется не за счёт процессов, имеющих чисто химическую природу, а за счёт процессов, изменяющих конфигурацию нервных клеток. В качестве таковых он предположил изменения некоторых участков хромосом ядра клетки.

Как известно, 60-е годы были временем необычайного прогресса в понимании универсальной информационной системы живых существ – языка наследственности.

Оказалось, что посредством всего четырёх химических «букв» можно записать не только строение каждой клетки живого организма, но и сложные, поражающие своим разнообразием формы его поведения. Но если врождённое знание записано в виде последовательности нуклеотидов, то почему знание приобретённое должно кодироваться как-то иначе?

Однако время показало, что изменений в ДНК нейрона при запоминании не происходит. И про гипотезу просто забыли. А может быть зря.

Ведь главная мысль не оспорена – для того чтобы нейрон сохранил информацию он должен измениться. Изменение это и есть запись.

Молекула памяти

Исследования биохимического переноса памяти1 прекратились ещё в 1980-х. Доказательств так и не получили. Это было не первое разочарование, вспомним Карла Лешли отдавшего тридцать лет своей плодотворной жизни попыткам раскрыть природу «следа памяти» в мозге. Он безуспешно охотился за «энграмой» – записью этого следа, оставив, впрочем, свой личный след в истории нейронауки.

Несомненно, в памяти имеются материальные следы того, что звучало раньше или некогда совершалось в нашей жизни. Поиски этих «следов» не дают покоя и современным исследователям.

Меж тем, вплоть до 2006 года в умах исследователей преобладал некий пессимизм. Выяснилось, что наша память зависит от белков. Это было показано практически на всех животных путём блокады синтеза белка – при этом кратковременная память образуется, а долговременная нет. То есть новые белки должны синтезироваться, для того чтобы у нас сформировалась и сохранялась хоть какая-то память. Но дело в том, что время жизни белков – дни, максимум недели, и только редкие белки могут жить чуть дольше. 98% всех белков за 3—4 дня разлагаются и замещаются новыми. Их синтез идёт постоянно. То есть если где-то память и закодирована какими-то молекулами, то все они распадаются через несколько дней. А как мы знаем, наши воспоминания хранятся годами и десятилетиями.

Но в 2006 году сразу появилось несколько публикаций о молекуле, которую можно было бы назвать молекулой памяти. Это белковая молекула, которая контролирует силу синаптической передачи. Обнаружилось, что белок под названием протеинкиназа M-дзета (Protein kinase M zeta, PKMζ) способен к самовоспроизведению! Так, если эти молекулы появились в каком-то конкретном месте синапса, то это их количество именно в этом месте и сохраняется. Эти молекулы обладают способностью самовоспроизводить это увеличенное количество. В каком-то смысле этот процесс может быть основой запоминания.

А постоянное воспроизведение PKMζ обеспечивается следующим изящным механизмом: PKMζ «ловит» с помощью некоторых молекулярных каскадов свою собственную матричную РНК и таким образом синтезирует новую молекулу PKMζ, которая повторяет процесс. Таким образом появляются всё новые и новые клоны молекулы PKMζ. В результате она может бесконечно долго сохраняться в синаптической области.