Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе - Александр Иванович Волошин

описанным в документе, 120 млрд руб. на поддержку внедрения решений по всем субтехнологиям.

Авторы документа прогнозируют, что до 2030 г. в России в сфере искусственного интеллекта будет функционировать до 1 тыс. компаний. Объём выпуска продукции и услуг в данной сфере увеличится до 100 млрд руб., а объём экспорта до 50 млрд руб.

Число патентов в области искусственного интеллекта превысит 1 тыс., число стартапов также будет более 1 тыс. Объём венчурных инвестиций в капитал российских компаний в сфере искусственного интеллекта превысит $100 млн. В сфере искусственного интеллекта будет работать более 10 тысяч человек.

В области образования вузы будут ежегодно выпускать более 5 тыс. специалистов по ИИ, а вместе с ведущими компаниями будет создано более 100 магистерских программ по ИИ. Более 30% трудоспособного населения будет проходить персональные образовательные программы, охват обучающихся на всех уровнях образования образовательными программами нового поколения также превысит 30%, а доля выпускников, устроившихся по специальности после окончания учебного заведения, превысит 70%.

В области здравоохранения средняя продолжительность жизни в России вырастет до 80 лет. Доля организаций здравоохранения, использующих ИИ при оказании медицинских услуг, диагностики, инвазивных процедур, контроля качества медицинской помощи, при профилактических осмотрах превысит 30%. Доля трудоспособного населения, использующего персональные средства ИИ для самоконтроля и управления здоровья составит 3%.

В сфере госуслуг более 30% учреждений государственного управления будут предоставлять услуги населению с помощью ИИ. Также более половины компаний, использующих государственные услуги, будут получать данные услуги с помощью технологий ИИ.

Более 30% предпринимателей будет использовать в своей деятельности сервисы самопроверки на базе ИИ. Также более 30% контролирующих и надзорных органов будут использовать в своей деятельности технологии ИИ. Доля учреждений госуправления, использующих технологии ИИ, на федеральном уровне превысит 90%, на региональном уровне 50%, на муниципальном – более 30%.

В области аппаратного обеспечения будет завершена разработка отечественных высокоскоростных и энергоэффективных микропроцессоров, показатели которых будут близкими к лучшим зарубежным аналогам, и аппаратно-программной платформы для отечественной ИИ-системы. Также разработаны и выпущены на рынок первые образцы чипов ИИ с готовыми инструментами отладки и комплектов ПО и интеллектуальные устройства на основе отечественных высокоплотных аппаратно-программных комплексов.

В сфере алгоритмов и математических методов будет создано более 10 центров совершенства в области ИИ, а число ведущих зарубежных исследователей в сфере ИИ, привлечённых для работы в России, превысит 100. В международных рецензируемых научных журналах не менее 3% публикаций про ИИ будут созданы с участием российских исследователей.

К 2023 году будет создан первый ЦОД, специализированный под задачи ИИ и построенный на российских ИИ-процессорах. А к 2024 г. будут созданы общедоступные ЦОДы, специализированные под задачи ИИ. Также будут разработаны отечественные решения с облачной архитектурой, предусматривающие интеграцию с действующими информационными системами в сфере здравоохранения.

Кроме того, к 2024 году правовое регулирование в России будет скорректировано для создания упрощённого административно-правового и нормативно-технического порядка тестирования и внедрения разработок в сфере ИИ.

Предостережение

Боюсь, что скоро приставка «нейро-» станет такой же или даже более популярной чем «нано-». И это внесёт большую путаницу в понятия. Вероятно, скоро появятся нейро-телевизоры, нейро-калькуляторы, нейро-мобильные устройства.

Продолжение истории синапсов

Теперь, когда мы с Вами уже узнали, как работает нейрон, что такое синапс и как нервный импульс передаётся от одного нейрона к другому, что такое нейромедиатор и что такое нейролептики, давайте попробуем прояснить для себя ещё одну тему.

Тема одна, а вопросов много. Адреналин – это что, нейромедиатор или гормон? И почему его используют как антидот (противоядие)? В чём разница между дофамином-нейромедиатором и дофамином-гормоном? Если наш ГЭБ так эффективен, то как действуют нервнопаралитические яды? И самый интересный вопрос – как же работает анестезия?

Нейромедиаторы и гормоны

Ионные каналы мембраны – это шлюзы клетки. Их важнейшее свойство состоит, пожалуй, в том, что они открываются и закрываются, регулируя тем самым движение ионов. Но оказывается, процесс открывания и закрывания так называемый «воротный» механизм, управляем. Он жёстко регулируется тремя факторами: 1) присоединением внутриклеточных или наружных химических веществ, 2) механическим напряжением мембраны и 3) изменением разности потенциалов на клеточной мембране.

Общепризнанно, что большинство нервных клеток общаются друг с другом с помощью химических посредников, известных как нейромедиаторы.

Нейромедиаторы (нейротрансмиттеры, посредники, «медиаторы») – биологически активные химические вещества, посредством которых осуществляется передача электрохимического импульса через синаптическое пространство между нейронами, а также, например, от нейронов к мышечной ткани или железистым клеткам.

Рассмотрим, как это работает на примере передачи команды от нейрона к мышце. Когда нервный импульс достигает нервного окончания, под его воздействием открываются кальциевые каналы и впускают поток ионов кальция в клетку. Это заставляет синаптические везикулы1, наполненные нейромедиатором ацетилхолином2, двигаться в направлении мембраны, сливаться с ней и выбрасывать содержимое в синаптическую щель. Ацетилхолин затем проникает через щель и присоединяется к белкам-рецепторам на мембране мышечного волокна. Присоединение нейромедиатора открывает ионный канал в мембране мышцы, позволяя ионам Na+ входить в клетку. Ионы натрия вызывают изменение электрического потенциала на мембране, что инициирует нервный импульс в мышечном волокне. В мышечной клетке такой импульс вызывает сокращение.

Таким образом, электрический сигнал передаётся от нерва к мышце с помощью химического посредника – ацетилхолина.

1 Синаптические везикулы (или синаптические пузырьки) находятся в пресинаптических границах в нейронах и накапливают нейромедиаторы.

2 Ацетилхолин (лат. Acetylcholinum), сокр. АЦХ – первый открытый нейромедиатор, осуществляющий нервно-мышечную передачу, а также основной нейромедиатор в парасимпатической нервной системе. В организме очень быстро разрушается специализированным ферментом – ацетилхолинэстеразой. Играет важнейшую роль в таких процессах, как память и обучение.

Современные представления о механизмах передачи возбуждения в синапсе:

В зависимости от того, для каких ионов изменяется проницаемость мембран, возможны два варианта постсинаптических потенциалов – возбуждающий (ВПСП) и тормозной (ТПСП).

Возникновение ВПСП основано на повышении проницаемости мембраны для ионов Nа+, а ТПСП – для ионов К+ и Cl-. Характер активности тех или иных каналов определяется химической структурой медиатора, особенностью рецепторного образования, а также связанного с ним вторичного посредника.

Провзаимодействовав с клеткой-мишенью, медиатор должен быть удалён с мембраны. Это осуществляется ферментами, находящимися в синапсе. Ацетилхолин расщепляется ферментом ацетилхолинэстеразой (АХЭ). Для адреналина и норадреналина – такими ферментами являются катехол-окси-метилтрансфераза (КОМТ) и моноаминоксидаза (МАО). Продукты расщепления медиаторов далее либо транспортируются в пресинаптическую область для последующего ресинтеза медиатора, либо просто удаляются из околосинаптической области.

Но что произойдёт с передачей импульсов через синапс, если выделенный нейромедиатор не сработает? Или другой вариант – он сработает, но не будет удалён из околосинаптической области? Рассмотрим эти случаи по порядку.

Если нейромедиатор не срабатывает, то не происходит и передача возбуждения к мышце. Это называется паралич. Как этого добиться? Надо доставить в межклеточное пространство, химическое соединение, которое бы нейтрализовало выделяемые нейронами медиаторы. И такое вполне возможно, природа сама об этом позаботилась. Вещества, которые оказывают такое действие на нервную систему называются ядами. Именно так действует яд кураре, который южноамериканские индейцы наносят на стрелы. Он присоединяется к ионным каналам, участвующим в процессе передачи импульсов в нервных и мышечных волокнах, и блокирует действие естественного медиатора, вызывая паралич.

Второй случай, когда, например, нейромедиатор не удаляется из околосинаптической области. Это приведёт к перевозбуждению постсинаптической мембраны, мышца будет непрерывно возбуждаться. Так действуют боевые отравляющие вещества нервнопаралитического действия, например, Зарин.

В общем, яды воздействуют на активность каналов, присоединяясь к тому же участку, что и естественный медиатор, и блокируя или имитируя действие этого медиатора.

Логика подобного механизма управления каналами лежит в основе действия многих лекарственных препаратов.

Но мы не рассмотрели ещё один способ повлиять на проводимость нервных импульсов через синапс – препятствовать поступлению Са+ в пресинаптическую мембрану. Это должно блокировать прохождение нервного импульса и предотвратить выброс