Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе - Александр Иванович Волошин

однажды образовавшиеся в результате деления клетки не расстались, как это было всегда, а склеились бочками1. И, оказалось, что это дало двум слипшимся клеткам некоторое эволюционное преимущество. Это не было преимущество многоклеточного животного над одноклеточным, а нечто более простое.

Возможно, так легче найти питание? У одноклеточных животных есть мембранные рецепторы, которые, как правило сосредотачиваются на полюсах клетки, однако это не позволяет им улавливать разницу концентраций между полюсами, поскольку они слишком малы.

Если же клеток множество, то вероятность решения этой задачи упрощается. Но, чтобы её решить, предстояло выработать механизм межклеточного информационного взаимодействия. Механизм этот уже присутствовал, клеткам предстояло научиться им пользоваться.

От простого взаимодействия клеток внутри организма, до переноса информации на значительные расстояния.

Предположим первая клетка, назовём её клетка-А, попала в среду с изменённой ионной концентрацией. Это вызовет изменение нескольких параметров клетки – электрического потенциала на её поверхности, внутриклеточного давления и как следствие изменение объёма. Вторая клетка, назовём её клетка-Б, должна уловить эти изменения. Допустим, она почувствует изменение электрического потенциала на мембране клетки-А.

Таким образом клетка-А оказалась рецептором клетки-Б.

Рассмотрим другую ситуацию – механическое воздействие на клетку-А. Клетка отреагирует изменением своего объёма (сжатие) и изменением внутреннего давления, что в свою очередь изменит ионную концентрацию внутри клетки, а это приведёт к изменению мембранного потенциала. Клетка-Б, уловив изменение мембранного потенциала соседки в обратной последовательности через изменения мембранного потенциала, давления и объёма получит информацию о механическом воздействии на клетку-А. Но есть и более короткая схема: клетка-Б просто почувствует ударную волну от клетки-А.

Если же клетка-А окажется повреждена, это вызовет изменение ионной концентрации возле клетки-Б, а она передаст информацию об этом другим своим соседям клеткам-В, Г и так далее. А если удалённые клетки сами научатся реагировать на такую ситуацию? Если колония клеток отгородится от внешнего мира общей оболочкой, и протоплазма разрушенной клетки распространится внутри колонии? Возможно это прототип гормональной регуляции у животных и вариабельного потенциала у растений.

По мере роста колонии и функциональной дифференциации клеток, возникла задача передачи информации об угрозе, например, не всем подряд клеткам, а конкретным, ответственным за бегство. Для спасения организма, это должно быть сделано быстро и на относительно большое расстояние. Клетки-передатчики, пошли по простому пути, они начали вытягиваться. При этом мембранные рецепторы концентрировались на концах клетки. Постепенно они эволюционировали в известные сегодня электрические сигнальные нейроны.

Будучи примитивными эти прообразы нервных клеток не обладали синапсами, им было свойственно проведение возбуждения в обе стороны. То, что в современных примитивных нервных системах мы называем электрическими синапсами.

Сегодня подобные системы встречаются у примитивных беспозвоночных, они используют электрическую сигнализацию для моторики и других аспектов, необходимых для выживания.

Их нейроны являются изополярными, что означает отсутствие специализации у их отростков, а, следовательно, отростки проводят возбуждение в любую сторону и не образуя при этом длинных проводящих путей.

Отсутствие специализированных отростков приводит к отсутствию специализированной рецепции. Например, у гидры есть отдельные рецепторные клетки, но они не способны различать специфику разных раздражителей. Следствием этого является отсутствие чётко дифференцированной ответной реакции. Кишечнополостные способны формировать реакции побега при воздействии неблагоприятных факторов среды, не дифференцируя сами факторы, а воспринимая лишь их угрожающий эффект.

Не стоит учиться арифметике по учебнику квантовой физики или теории струн. Чтобы понять, как работает мозг, надо узнать, как работает один нейрон. Чтобы разобраться в работе одного нейрона (в составе мозга), следует выяснить как работали его примитивнейшие прообразы. Если начать с азбуки межклеточного взаимодействия, мы возможно раскроем не только тайны мозга. Но и откроем для себя механизмы межклеточного информационного взаимодействия и в других органах, и даже в растениях.

Зачем нам менять представление о природе нервного импульса? Зачем переходить с испытанной временем модели электрических потенциалов действия к каким-то солитонным моделям? Какая разница, если и так ясно откуда и куда бегут нервные сигналы, не изменяется представление о мембранах и ионных каналах? К тому же исследовать электрические сигналы современными инструментами гораздо проще, чем механическими.

Но, возможно, только с точки зрения механики человечеству удастся наконец понять такие вещи:

арифметику взаимодействия нервных импульсов,

информационную составляющую нервных импульсов,

и то, как происходит запоминание.

1 Мы можем поспорить на тему происхождения первого многоклеточного животного, но объективных данных так мало, что спор сведётся к тому, чья фантазия лучше.

Память. Как хранится информация

Как работает память человечеству пока неизвестно. Традиционное представление о хранении информации в мозге нашло воплощение в технологии искусственных нейросетей. Основная идея его такова: запоминание основано на изменении силы существующих и создании новых синаптических связей между нейронами. Так ли это на самом деле? Верю, что время покажет, а пока давайте рассмотрим и другую гипотезу.

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 –