В конце февраля в журнале Frountiers in Molecular Biology вышла статья Бенжамина Гульта (Benjamin Goult), в которой он предложил свою теорию формирования памяти. Эта теория смогла объяснить, в какой форме находятся воспоминания в мозге, почему порой они исчезают, почему мы способны вспоминать за считанные секунды, где физически находится память. Об этой статье сразу же написали в целом ряде новостных изданий, назвав теорию Гульта революционной. Но действительно ли это так?
Credit: Benjamin Goult
Бенжамин Гульт – профессор университета Кента в Великобритании. С 2006 года он занимался исследованиями белка талина у животных. Свою теорию он основывает на функционировании именно этого элемента, называя его “белком памяти”.
Прежде чем погрузиться в механистическую теорию памяти, попробуем в общих чертах вспомнить некоторые сведения из цитологии – науке, изучающей клетки.
Цитология
Наше тело и органы состоят из разного рода тканей, например, мышечной, нервной. Каждая ткань – это стабильная совокупность множества клеток, тех самых, которые мы активно изучали на уроках биологии в школе.
Клетки – основные «кирпичики» живого организма. Они состоят из ядра и целого ряда других органелл. У каждой клетки есть клеточный скелет – цитоскелет . Он необходим для того, чтобы поддерживать форму клетки, способствовать клеточной миграции, а также осуществлять транспортировку химических веществ внутри самой клетки. Один из основных компонентов цитоскелета – актин , формирующий в клеточной мембране множество нитей, играющих роль каркаса клетки.
Клетки, объединяясь в ткани, удерживаются вместе за счет связей, которые они образуют как друг с другом, так и со специальной структурой, в которой они “плавают” — внеклеточным матриксом.
Таким образом, внеклеточный матрикс – это своеобразный фундамент ткани, состоящий из ряда белковых молекул – гликопротеинов (например, коллагена) и протеогликанов,– за который цепляются клетки. Чтобы зацепиться за внеклеточный матрикс, клетка образует целый белковый комплекс, который можно сравнить с якорем.
Упрощенно представим себе, что наш якорь состоит из 3 белков . Один из белков – это интегрин. Он находится в клеточной мембране и соединяется с внеклеточным матриксом. Второй элемент – это актин, сам цитоскелет клетки. Соединительный элемент между ними – талин. Он упрочняет сцепление между актиновыми нитями и интегрином, который присоединяется к внеклеточному матриксу.
Credit : Focal Adhesion — YouTube
Белок памяти
Талин – белок-связка, который состоит из 13 спиральных белковых пучков. Каждый такой пучок может существовать в двух возможных видах: свернутом или развернутом. Если назвать свернутое состояние пучка – 0, а развернутое – 1, то получается, что один белок талина будет записывать некую информацию в виде двоичной последовательности, например: 0110 1111 0000 1.
Credit: Benjamin Goult / Frountiers in Molecular Biology 2021
Такая последовательность с помощью белка винкулина закрепляется и сохраняется на длительное время. Определенная последовательность спиральных пучков позволяет клетке сохранять гомеостаз в изменяющейся внешней среде. Стоит среде измениться, возникает механическое напряжение, которое талин улавливает, на которое он реагирует.
В результате он словно вычисляет новую формулу стабильности, преобразуя последовательность спиральных пучков. Эта новая последовательность вернет клетку в стабильное состояние. Таким образом, в талине происходит обработка информации из внешней среды, итогом которой становится новая двоичная последовательность.
На уровне нейронов
Каждый нейрон – это клетка. Поэтому все то, что было описано выше, применимо и к мозгу. Каждый синапс имеет привязку к внеклеточному матриксу, осуществляемую с помощью интегрина и талина. Если синапс активирован, пресинаптический нейрон осуществляет транспортировку нейромедиаторов в постсинаптический клетку. Этот процесс изменяет окружающую среду клетки, вызывая механические колебания, улавливаемые талином (ведь выброс нейромедиатора требует определенной механической силы). Белок “вычисляет” новую двоичную последовательность, которая возвращает его в стабильное состояние.
Полученные двоичные последовательности далее считываются лигандами (молекулами-«соединителями») в нейроне. В зависимости от того, свернуты ли пучки талина или развернуты, в процессе считывания участвуют разные лиганды.
Credit: Benjamin Goult / Frountiers in Molecular Biology 2021
По итогу считывания каждый синапс имеет свой набор лиганд, своеобразную лигандную маркировку. В зависимости от этой маркировки в нейроне начинают осуществляться глобальные структурные изменения: изменяется количество протеинов в синаптических окончаниях, синапс видоизменяется, увеличиваясь или уменьшаясь. Часть протеинов приходит в активный синапс из других пассивных нейронных терминалей.
Число используемых протеинов в клетке постоянное, оно регулируется на генетическом уровне, поэтому чтобы доставить дополнительный протеин в активный синапс, необходим его отток из других. Клетка организуется таким образом, чтобы более важный, активный синапс был в состоянии боеготовности и мог при необходимости передать сигнал другой клетке.
Таким образом, новая структура (конформация) талина изменяет сам нейрон, а также вероятность возникновения потенциала действия (путем регулирования порогового значения нейрона).
На уровне организма
По периметру синапса для каждого нейрона содержится несколько “якорей”, в каждом из которых есть своя последовательность из «нулей и единиц». Эту последовательность можно объединить в одну более длинную, которая будет кодировать текущее состояние конкретного синапса.
Credit: Benjamin Goult / Frountiers in Molecular Biology 2021
А так как синапсов в мозге около 100 триллионов, то получается, что все двоичные последовательности вместе взятые кодируют в мозге текущее состояние организма, которое зависит от внешней среды.
Гульт предполагает, что именно такая двоичная последовательность пучков в белке талине представляет собой основу сохранения информации в мозге. Такую последовательность он называет MeshCode .
По гипотезе ученого, нейронная сигнализация изменяет этот самый код, из-за чего происходит биологическое вычисление – поиск стабильного состояния белка. Конформация белка, в свою очередь, влияет на нейрон. И так далее.
Credit: Benjamin Goult / Frountiers in Molecular Biology 2021
Организация памяти
Но что же дальше? Если каждое наше воспоминание – это запись мгновенного состояния организма, то как в таком количестве информации мозг ориентируется? Почему мы вспоминаем порой за долю секунды, не теряя времени на поиск информации? Создается впечатление, что каждое воспоминание находится на своем четко определенном месте, и чтобы что-то вспомнить, мозг просто направляет энергию в нужные нейроны.
Гульт предполагает, что подобная клеточная организация памяти похожа на ячейки в жестком диске компьютера. Роль самого жесткого диска играют нейронные колонки коры головного мозга. Кортикальный модуль (или жесткий диск, если хотите), состоит из шести слоев нейронов, направленных перпендикулярно поверхности коры.
Credit: public domain
Каждая колонка содержит свою структуру и имеет более 10 000 синапсов, в которых есть несколько десятков или сотен белковых комплексов с талином. Такие колонки могут играть роль модулей памяти, позволяющих четко организовывать наши воспоминания, категоризировать их и хранить в определенном месте в зависимости от типа.
Credit: Benjamin Goult / Frountiers in Molecular Biology 2021
Гульт предполагает, что мозг имеет своеобразную карту воспоминаний, которая и позволяет ему быстро ориентироваться во всей информации. Ученый считает, что такая карта создается благодаря деятельности гиппокампа. Эта структура мозга принимает новую информацию, распределяет ее в свободные модули памяти и индексирует таким образом, чтобы в нужный момент эту информацию можно было легко обнаружить.
Как гиппокамп организует нашу память
Гиппокамп не сохраняет информацию, вместо этого он осуществляет ее первичную обработку и затем распределяет по модулям памяти. То есть он играет роль дирижера запоминания.
Основная работа гиппокампа, по мнению Гульта, происходит ночью, когда мы спим. В фазе медленного сна организм осуществляет обработку всей информации за день: через изменение белка талина, лигандного считывания, а также через изменения структуры нейронов.
Затем, в фазе быстрого сна, гиппокамп передает (электрохимически) получившийся код в свободные модули памяти в коре мозга. Именно поэтому в фазе быстрого сна наблюдается высокая активность мозга.
Такой цикл повторяется несколько раз за ночь, что позволяет записать всю информацию в коре и индексировать ее наиболее эффективным образом.
Ряд современных исследований также показал, что во сне мозг убирает ненужные воспоминания из гиппокампа, очищает его и подготавливает для приема новой информации в течение следующего дня.
Проблемы памяти
Почему порой человек не может вспомнить какое-либо событие? Это происходит из-за того, что нарушается координация механизма двоичного кодирования в талине. Например, из-за гипоксии или во время болезни Альцгеймера (вследствие негативного влияния тау-белка и бета-амелоидов).
Возрастные проблемы памяти также могут быть вызваны неполадками двоичного кодирования. Из-за того, что с возрастом теряется целостность нейронных связей, талин хуже реагирует на изменения окружающей межклеточной среды.
Критика
Революционная теория на самом деле продолжает множество работ в области молекулярной биологии памяти. Вклад в эту область внесли и Эрик Кандель, и Константин Анохин, и Лари Сквайр, и многие другие. Благодаря вкладу этих ученых стало ясно, что память – это изменения в синапсе, клетке и даже в экспрессии генов.
На текущий момент эта теория стремится описать множество процессов в мозге, тем самым представляя собой своеобразную “теорию всего”. Однако, зачастую, именно это не позволяет ученым увидеть полную картину реальности, так как с помощью одной теории или одного явления описывается абсолютно все (от памяти до сна).
Теория Гульта не объясняет, почему же в момент воспоминания большая активность наблюдается в префронтальной коре мозга, также не отвечает на вопрос, как без гиппокампа может формироваться несознательная моторная память (как в случае с Генри Молисоном ). Помимо этого, она базируется лишь на одном механочувствительном белке – талине, в то время как их несколько, и каждый может подобным образом участвовать в формировании памяти.
Однако, данная теория – интересная попытка дать ответ на вопрос “что же такое воспоминание с точки зрения мозга”. И если мозг действительно запоминает бинарными комбинациями множества спиральных пучков белка талина, то в будущем этот подход позволит не только лечить проблемы памяти, но и сохранять память личности вне самого человека, на внешних информационных носителях.
Текст: Никита Отставнов
Goult, B. T. (2021). The Mechanical Basis of Memory – the MeshCODE Theory. Frontiers in Molecular Neuroscience, 14, 1.
Комментарии
Организм ведь не глупый и запоминать на каждый момент он будет не ВСЕ состоянии, а только те, которые отличаются от предыдущих (зачем запоминать статику или фон, который не меняется?). Кроме того, запоминать ВСЮ информацию о состоянии организма затруднительно из-за потребуных объемов памяти. Так что можно предположить, что организм создает модель окружающего мира + модель самого человека. Запоминаются некоторые ключевые состояния человека и окружающего мира. Это и есть тот "реальный мир" в котором мы все (каждый по отдельности) живем
С импринтингом, обучением и опытом формируются библиотеки когнитивных и поведенческих стереотипов (на волапюкском - "паттерны").
Сталкиваясь со знакомым событием, ленивый организм и действует согласно имеющейся библиотеки.
Встречаясь с незнакомым - впадает в разное: агрессию, прикидывается ветошью, испытывает когнитивный диссонанс.
С опытом и увеличением библиотеки - учится находить нестандартные решения, складывая из отдельных листов оптимальное решение. Что фиксируется затем отращиванием новых синапсов и/или изменением нормальной разности потенциалов меж группами нейронов.
Существенное уточнение
Именно так. Более того, изменения происходят только в процессе разрешения конфликта окружающего мира и модели его. А если конфликта нет, то и менять незачем. И да одна из функций "быстрого сна", проверка старой модели на конфликт с вновь поступившими сигналами внешнего мира. А мы в это время видим сны. Иногда "вещие".
Цель всей затеи - привести в соответствие бессознательные реакции на раздражители и меняющийся мир. Для, ясен пень, выживания в нем.
Спасибо! Интересно!
Все это лишь теория, не имеющая серьезных доказательств и не отвечающая на много вопросов. Таких теорий за историю медицины много нарисовали и все с красивыми картинками, но толку - чуть.
тезис считается истинным в отсутствие контр тезиса ))
Только в детском саду или псевдонауке.
Есть версия, что большая часть личных миропредставлений это константа, а меняется крайне незначительная часть - несколько %. Интересно, на каком этапе происходит формализация, контстантность модели, насколько это константность меняется и по каким причинам.
Вообще, чем плоха нейрофизиология - разрыв между низовым уровнем знаний и верхним - и какие-то нереальные десятки и сотни тысяч публикаций в этой сфере. Сам подход - настолько низовой, что подобен описанию капли воды в виде миллиардов отдельных молекул или математическому доказательству через терабайты лога вычислений.
По выводам в статье - практически ничего нового, никаких принципиальных выводов. То, что запись идет настолько детально и точно - вообще нет никакого известного мне языка или якорей среднего уровня, чтобы сделать из этого какие-то выводы. Частичный смутный выход есть только на не особо признанную современной медициной кинестезиологию, - т.е. какие-то фиксации и зажимы, в ответ на обработку информации с нижнего эшелона. Ну т.е. прямых очевидных выводов с лету сделать не получается.
Как это ничего нового? Приведите ещё хотя бы один пример, где природа использует двоичную систему исчисления.)
Ещё бы доказали, что мозг для запоминания тоже её использует... А то взяли один из белков (в одном процессе запоминания их около сотни точно) и связали с процессом запоминания.
Во-во, такое же впечатление.
Ну использовано в одном месте такое, а в другом месте другое - исходя из потребностей и биохимических возможностей. Вон, в глазе, в одном из фотопигментов многоуровневый переход: https://zreni.ru/articles/tehnicheskoe-zrenie/3892-zritelnye-fotopigment...
А дальше то все равно аналоговая система обработки и передачи информации (и вероятно, фундаментально это правильно). И кстати, 0-1 это возможно, не двоичный код, а именно отдельные единицы, которые в сумме дают некие уровни возбуждения (по тексту статьи нельзя сделать вывод, что это именно довичный код, скорее вряд ли).
Ничего нового с точки зрения понимания - было известно про роль гиппокампа и т.п
А там, интересно все устроено. Работает и аналоговый и цифровой метод обработки..... одновременно. Причем чередуется, то один то другой. И что странно - без заметных косяков.
Двойная спираль - цифра. Но вот результат ее работы (синтез белков) уже здорово зависит от концентрации всяческих ферментов, температуры и прочих аналоговых по своей природе сигналов, при том что результат - четко скрученный белок, опять цифра. Синапсы в нейрон передают сигнал вполне себе аналоговым механизмом (соотношение концентрации солей калия и натрия по обе стороны мембраны), а вот уже состояние конкретного нейрона, вполне себе дискретная весчь, очень похожая на цифру. Биоритмы мозга вообще вызывают дикие ассоциации с, не к ночи будет помянута, несущей частотой. В общем в том лесу много диких зверушек. Последовательность аминокислот в двойной спирали прочитать, это конечно подвиг, а вот понять что там написано (для разных температур и концентраций ферментов), это придется долго череп морщить.
Так мама с дитятей не только трубочками но и проводочками связана. Вот она и строит дитяте личность. Все 9 месяцев. Народ прав - беременных девок обижать грех (иначе придется жить в окружении моральных уродов. Молодых и сильных).
Обижать без веских причин вообще грех, на этапе формирования - да, более тяжкий.
Пусть меня поправят знающие медики, но сознание даже в упрощенном виде включается на достаточно поздних этапах развития. И как этот базовый инжект личностный определяется - загадка, вполне возможно, роль среды не так велика.
Известно, что у детей более подвижная психика. Наверно, можно предположить, что константная часть меньшую долю занимает.
Среда через органы чувств взаимодействует с матрицей восприятия сформированной мамой, и меняет ее по мере роста киндера. Чем взрослей тем меньше. Всю жизнь. Не меняющиеся в процессе жизни синаптические связи со временем заплывают жиром (в прямом смысле слова). Заплывшие жиром устойчивые связи, и детерминированные ими образы либо вообще не могут меняться, либо надо сильно попотеть, чтобы их поменять. Поэтому люди интенсивно работающие головой способность учиться не теряют долго, в пределе до смерти. А люди живущие в простом и понятном мире быстро скатываются либо к "Господь управит", либо к "ятакщитаю".
Смотришь на то, на какие ухищрения и громоздкие схемы пришлось идти природе чтобы воссоздать обыкновенный микрочип, и удивляешься, что до сих пор переиграть по функциональности мозг так и не получается, несмотря на явное преимущество в масштабах базовых элементов...
основное отличие (как я его понимаю) ГМ от транзистора в том, что в ГМ происходит изменение топологии нейронных связей. что в транзисторе невозможно.
У меня есть подозрение, что это не сколько "невозможно", сколько слишком пугает создателей трудностями просчитывания и контроля. Чувствуется до сих пор недостаток понимания того, как случайные изменения топологии мозга таки способствуют интегрированной работе мозга с информацией вместо того, чтобы эту интеграцию разрушать.
чисто формально - естественный отбор поставил развитие ГМ на рельсы и чотко следит за тем, что б в сторону не вильнуло.
а для разработчика, каждый раз как первый. у него первейшая задача инвестиции поднять, а там или шах или ишак.
Естественный отбор имеет свои ограничения...
а механизмы финансирования исследователей - свои
Но в целом, задача воспроизвести работу мозга на лучшей элементной базе не выглядит совсем нерешаемой.
А они точно случайные?
Ну и чтоб два раза не вставать. А что если изменения топологии как и вообще сама топология это лишь следствие, а не причина?
формально, изменение топологии есть следствие электромагнитного взаимодействия
Во-во, исследовать качающиеся ветви деревьев для изучения причин возникновения ветра может быть очень увлекательно, но... Или пикселы на мониторе, с целью понять, где хранится отображаемая картинка из опуска...
Клетка имеет несколько синапсов. Следовательно и отражать на матрице будет состояние остальных синапсов. В таком случае конкретный порядок не имеет значения, клетке вполне понятно что он означает.
Лишь формально невозможно. Не нужно на чипах собирать копию нейронной сети. Можно построить такую архитектуру, которая будет отрабатывать модель нейросети, с масштабируемой и меняющейся топологией.
Топология по сути это матрица связей, для которой нужен интерпретатор, который в свою очередь меняет состояния и связи.
Таким образом за свойство "изменяемость" топологии сети - в транзисторной архитектуре отвечает "изменяемость" транзисторной памяти.
Пошло говоря, строим большущую эксель таблицу связей и после каждого прохода интерпретатором - изменяем связи и состояния.
Если действовать без малейшей оптимизации, то для топологии из 1000 нейронов нужна табличка 1000х1000 и теперь готовы к любой топологии даже которой нет в природе.
Не думали, что если всё так просто, почему мозг просто не воспроизвели до сих пор? Быть может потому что они до самой сути мозга и не добирались, описывая побочные реакции с белком (до которых смогли "дотянуться"), а на деле - не знают процесса вовсе.
Воспроизвести до молекулы? Да сколько угодно. Биологическим образом :)
А чтобы воспроизвести модельный принцип - его неплохо бы понять и формализовать. А пока логика всех компьютерных расчетов - это детерминизм И, ИЛИ, НЕ, не предусматривающий конфигурационного хаоса.
А там точно хаос. В общем случае. В частном то сплошь и рядом.
Тут печень до молекулы не могут воспроизвести и радуются полимерным решениям, как не в себя. Но вы то всех биологов переплюнете, раз вы "запросто сказали".
При чём здесь компьютерные принципы и мозг? То, что придумано человеком в компьютере далеко не равняется тому, что произведено природой в мозге. Не притягивайте удобные для себя понятия только для того, чтобы считать себя "в теме" нейрофизиологии.
По планете сейчас бегает 7 миллиардов выращенных мозгов и 7 миллиардов выращенных печеней. Так что вырастить в рамках уже известного процесса - несложно. А вот чтобы по своему, как и когда хочется, сделать - тут как раз принципы понимать нужно.
Это ваши фантазии. Хоть один реальный биоорган покажите, который можно просто пересадить и он работал. Прям по природным чертежам, без добавления или изменения. Просто ссылку на статью. Такой, который вырастили, пересадили и он работает.
А где я хотя бы намек на пересадку выдавал?
Только на выращивание.
1. Так покажите выращивание. Чтобы не ткань "похожую" на исходник, а чтобы орган.
2. Если вырастили, но пересадить невозможно - считайте, что вырастили что-то не то и работать оно не будет.
1. Поднимите руку к своей голове. Оно - там. Надеюсь :)
Лет за двадцать вырастает. В каком-то виде - у всех...
2. Пока задача пересадки пока не стоит.
Перспективный чат детектед! Сим повелеваю - внести запись в реестр самых обсуждаемых за последние 4 часа.
Ну вот. Нема ещё теории информации. А тут, понимаешь, красивая идея - как кирпичи помнят имя каменщика, и несут его через годы.
Детсад. Это как анекдот про интернет.
Личность есть динамическая информационная самообучающаяся самовоспроизводящаяся структура.
Мозг - только лишь интерфейс между телом и личностью, А в мозге - типа контроллер связи, и не один, со своими адресами и настройками, макросами протоколов быстрого доступа.
Протоколы разные для разных нужд. У некоторых их мало, у других - много, и даже многократное резервирование с возможностью параллельной работы.
Все мы разные. И эта работа показывает один из биохимических (возможных) механизмов.
Проблема западников в том, что они считают всё видимое ими - истинной в последней инстанции. А то, что от них скрыто - то и не нужно, ведь это так сложно, изучать многогранную сущность, а не приводить её к плоской двоичной системе.
"Английские" учёные опять "Америку открыли:
"среду клетки, вызывая механические колебания, улавливаемые талином (ведь выброс нейромедиатора требует определенной механической силы)." -- в русском уже давно есть выражение - "шевели мозгами", "не тормози".
Интересно, хотя двоичная система хранения информации кажется слишком простой. Думаю биология - более совершенная штука.
Кто-то может посоветовать ликбезную книжку по теории памяти, желательно не с чисто физиологической точки зрения?
и ведь все само самоорганизовалось, в результате эволюции.
до сих пор разобраться не можем - как мы устроены.
че уж говорить тогда про то - зачем мы устроены.
Выходит, что мозг - это всего лишь цифровая система и все?
см. ниже - съехал мой комментарий.
Аналогово цифровая. И все.
Никоим образом нельзя сделать вывод, что мозг цифровая система. Миллионы других работ говорят об обратном.
Всего лишь в одном белке используется запись вкл./выкл - все, точка.
Согласно последним исследованиям британских учёных нейрон имеет клеточную структуру, а точнее - сам является клеткой. Живой клеткой.
И, как и у всякой клетки, у него есть ядро и прочие... эмм... атрибуты, присущие клетке. Будучи живой клеткой, нейрон обладает способностью поддерживать свои кубиты в когерентном состоянии, столь необходимом для нормальной работы квантового регистра.
И при этом нейрон не прибегает к помощи низкой температуры, столь свойственной жидкому гелию. Кроме того, более чем на 90% нейрон состоит из воды, что опять жи установили британские учёные, но несколько раньше.
Аш2О - вот эта знаменитая формула. В качестве кубитов здесь используются атомы водорода. Причём, не протоны ядра, а электроны электронных оболочек атомов.
И как опять жи установили британские учёные, вода обладает памятью. И это не случайно, отнюдь! Молекулы воды объединяются в кластеры численностью в несколько десятков тысяч голов. Причём, эти кластеры принимают форму правильных многоугольников, типа куба, пирамиды или шара.
Сколько бит информации может уместиться в одном кубите? Много. Таким образом, молекулы воды внутри нейрона можно рассматривать как ячейки памяти. А сам нейрон подобен компактному и мобильному жёсткому флеш-диску, ёмкостью несколько терабайт.
Электроны-кубиты взаимодействуют друг с другом внутри квантового регистра посредством волн вероятности, создавая при этом причудливую интерференционную картинку, похожую на причудливые симметричные узоры в трубе калейдоскопа.
Считывание информации с этой картины производится... эмм... специальным считывающим устройством, которое просвечивает картину микроволновым электромагнитным излучением. При этом достигается поистине космическая скорость обработки информации.
Таким образом, вы безусловно правы, коллега, отмечая аналоговый, а не цифровой характер процессов, происходящих в нейроне.)
И этой фразы уже достаточно, а если добавить, что она базируется только на одном из множества подобных белков, то вообще нефиг было тащить на ресурс всякий флуд, которого и так много.
В то время как космические корабли бороздят просторы Большого Театра
А детальнее?Требую продолжения банкета!
Что конкретно вызывает у вас сомнения?)