CC BY
57
УДК: 612.82.821 Б01: 10.12737/5934
ИОННО-МОЛЕКУЛЯРНАЯ МОДЕЛЬ ПАМЯТИ. СТРУКТУРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ БИБЛИОТЕКИ ПАМЯТИ
И ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ НИМИ
И.Г. ГЕРАСИМОВ", А.А. ЯШИН"
'.Лаборатория онтологики ДонНТУ, Донецкого национального технического университета, ул. Артёма, 58, г. Донецк, Украина, 83001 "Лаборатория биофизики полей и излучений и биоинформатики, Медицинский институт Тульского государственного университета, а/я 920, Тула, Россия, 300025, тел. (4872) 35-06-73; e-mail: [email protected].
Аннотация. В продолжении серии работ по созданию ионно-молекулярной модели памяти в статье рассмотрены структурные элементы библиотеки памяти, а также их достаточно сложная взаимосвязь. Имеется в виду библиотека в анатомически сформировавшемся мозге. Полагается, что информация хранится в определенных структурных элементах («хранилище фактов»). Вводится понятие каталогов информации, а также буферных информационных систем и их емкости. Предложена и обоснована схема возможной структуры библиотеки памяти, включающая входы, диспетчеры-коммутаторы, передатчики, приемники-каталоги, накопители и соподчиненные (специализированные) вспомогательные разделы библиотеки памяти.
Отмечено, что структурные элементы хранения информации уже существуют в анатомически сформировавшемся мозге, а собственно библиотека памяти обладает элементами различных физических размеров. Информация же распределена по структурам, а наименьшей единицей структуры библиотеки памяти является та, в которой хранится единственный факт. Коль скоро ионы водорода, как носители информации, легко связываются буферными системами, то это есть свидетельство того в системе памяти излишни иные, кроме физико-химических буферов белковой природы, структуры для хранения фактов -информации. Также очевидно: чем больше емкость информационного буфера, тем больший объем информации может сохраняться в нем. В целом, структурные элементы библиотека памяти могут в достаточной функционально полноте представлены диспетчерами, коммутаторами, передатчиками и накопителями. - Не исключено, что диспетчеры и коммутаторы находятся в пределах единой молекулярной (субмолекулярной) структуры.
Ключевые слова: библиотека памяти, структурные элементы, взаимосвязь элементов библиотеки, каталоги библиотеки памяти, «хранилище фактов», информационный буфер, структура библиотеки.
ION-MOLECULAR MEMORY MODEL. STRUCTURAL ELEMENTS OF THE LIBRARY MEMORY AND THE INTERACTION
BETWEEN THEM
I.G. GERASIMOV", A.A. YASHIN'
*Laboratory of Ontologica of the DonNTU, Donetsk National Technical University, Str. Artem, 58, Donetsk, Ukraine, 83001, **Laboratory of Biophysics of Fields and Radiations and Bioinformatics, Medical Institute of the Tula State University 300025, Tula, P.O. 920; phone (4872) 35-06-73; e-mail: [email protected].
Abstract. This article is a continuation of a series of works on creation of ion-molecular memory model. Structural elements of the library of memory, as well as their rather complex interaction are considered. The authors are talking about the library in anatomically formed brain. It is believed that information is stored in certain structural elements ("repository of facts"). The concept of directory information and a buffer of information systems and their capacity were introduced. The scheme of possible structure of the library of memory that includes inputs, controllers, switches, transmitters, receivers-directories, drives, and concurrently-cascaded (specialized) of the auxiliary sections of the library memory was proposed and substantiated by the authors. Structural elements of the storage of information already exist in anatomically formed brain, and actually library memory has elements of different physical sizes. Information is also distributed by the authorities, and the smallest unit patterns library memory is one where the only fact is stored. As soon hydrogen ions as carriers of information, easily contact the buffer systems, this indicates that in the system memory other structures to store facts - information are excessive, with the exception of physical and chemical buffers of protein nature. It is also clear: if more capacity information in the buffer, the more information can be stored in it. Structural elements of the library memory can be presented in sufficient functional completeness by controllers, switches, transmitters and drives. It is not excluded that controllers and switches are located within a single molecular (submolecular) structure.
Key words: library memory, structural elements, interaction of elements libraries, library catalogues memory, "store of facts", information buffer, structure of the library.
Введение. В предыдущей работе серии [1-6] начато обсуждение структуры библиотеки памяти человека [6]. Продолжим рассмотрение ее элементов и взаимосвязь между ними.
Структурные элементы библиотеки памяти во взаимосвязи. Напомним, что, как отмечалось [2], структурные элементы, предназначенные для хранения информации, существуют в анатомически сформированном (завершившем рост и анатомическое же развитие) мозге в доста-
точном количестве и используются по мере необходимости. Обратим внимание на обособление в анатомически сформированные структурные элементы лишь те, которые предназначены для хранения информации. Иными словами, в зрелом мозге имеются структуры, на которых производится запись информации. Отсюда, из слова «анатомически», следует, что библиотека памяти в своей структуре имеет какие-то элементы разных физических размеров. Однако эти анатомические структуры, скорее, представля-
ют здание (может быть, не одно) библиотеки памяти с отдельными, но связанными между собой корпусами и прочими строениями, необходимыми для функционирования нормальной библиотеки, то, что сейчас модно назвать «инфраструктурой».
Когда же мы говорим о структурных элементах, то имеем в виду, прежде всего, именно хранилище информации. Не вызывает сомнения, что она должна определенным образом структурироваться, иначе ее извлечение окажется делом случая и вспомнить что-либо конкретное в данное время окажется еще более маловероятно, нежели выиграть в лотерею. Гипотетически информация может быть структурирована по отделам, которые, в свою очередь, подразделены на более мелкие единицы, вплоть до отсеков, содержащих полки с томами, на страницах которых помещен не один факт. В данном случае «фактом» названо неделимое информационное сообщение (информационная единица), и в этом смысле будем использовать данный термин контекстно и в дальнейшем. Например, «дождь вообще», как понятие (явление природы), «дождь сегодня», как событие (факт в бытовом смысле), «дождь на душе» (ударение на последнем слоге), как ее состояние (поэтико-философская категория), или «д» (буква алфавита и звук, фонема) в слове «дождь», или в нем же сочетание звуков «до» (другая фонема, лингвистическая категория, но и самостоятельное слово нотной грамоты) и так далее.
Понятно, что информация хранится в определенных структурных элементах, совокупность которых, предназначенных для непосредственного ее хранения назовем «хранилище фактов». Это выделение необходимо для того, чтобы отличать данные структурные элементы от других (вспомогательных) структурных элементов библиотеки памяти, необходимых для классификации и поиска информации.
Все подобные структуры, уже не анатомические (цитологические, субмолекулярные, молекулярные) являются структурными элементами библиотеки памяти. С очень большой степенью вероятностью для качественного хранения, облегчающего последующий поиск и вместе с ним жизнь (буквально, хотя и в переносном смысле тоже), для распределения фактов по библиотеке памяти необходимы коммутаторы и диспетчеры информации [6]. Они также представляют собой структурные элементы библиотеки, как и структурные элементы - передатчики информации, доставляющие ее к тому или иному элементу хранилища фактов.
В связи с распределением информации по структурам возникает вопрос, который до сих пор, кажется, не ставился, вопрос о наличии каталогов информации. Вряд ли к таковым можно отнести обсуждаемые в одной относительно старой работе в отношении нейронов «маленькие контекстно-адресные каталоги ссылок» [7] и уже тем более генные каталоги для кодирования белков [8]. Поскольку такие каталоги, если они есть (а их не может не быть) -квинтэссенция всей информации, содержащейся в библиотеке памяти, постольку их организация вряд ли проще, чем организации элементов, в которых непосредственно хранится информация. Однако этот интереснейший вопрос обсудим после того, как рассмотрим ионно-молекулярные структурные элементы хранилища фактов в следующей статье, посвященной, в частности, поиску информации в библиотеке. Здесь же констатируем сам факт наличия таких структурных элементов и добавим, что под «структурным элементом» в данном контексте нужно понимать не единственную физическую структуру, а с другой стороны, возможно, и не всю ее. Это означает, что структурные эле-
менты могут состоять из нескольких образований (ионно-молекулярных, субмолекулярных, клеточных и т. д.), как, например, вероятно, каталоги. Но они могут и являться частью подобных образований, как, например, почти наверняка коммутаторы и диспетчеры.
Итак, наименьшей единицей структуры библиотеки памяти является та, в которой хранится единственный факт. Такой единицей в данной модели является одна или очень немного молекул белковой природы (белок или полипептид), информация, записанная на которой определяется, в том числе, ионным окружением. По такой причине, эти единицы - ионно-молекулярные структуры. По своей физико-химической природе белковые молекулы представляют собой буферные системы. Наличие белковых буферов хорошо известно в биологических жидкостях, а наиболее популярным из них в крови является гемоглобиновый буфер [9-13]. Речь идет о буферировании Н+, поскольку в принципе возможны (и существуют) буферные системы и для других ионов. Подобные системы не следует отождествлять с разнообразными буферами, которые понятийно используют в соответствующих моделях памяти [15-19]. В контексте этих моделей буферы представляют по сути всего лишь удобную метафору для обозначения вместилища временного пребывания информации в процессах передачи ее на постоянное хранение или даже анатомические образования.
Поскольку носители информации - ионы водорода (Н+) - легко связываются классическими буферными системами, то нет никакой необходимости предполагать наличие иных, кроме физико-химических буферов белковой природы, структур для хранения фактов. При этом любое изменение взаимосвязанных концентрации, активности, энергии Н+ приведет к изменению соответствующих параметров буфера (назовем его «информационный»), а значит, к записи информации. Любой биологический буфер предназначен для поддержания определенных параметров среды в пределах гомеостаза и информационный буфер в этом смысле не является исключением. Одной из характеристик буфера является его емкость (буферная емкость), которой определяется количество вещества, способное к физико-химическому взаимодействию с компонентами буфера. Такими компонентами могут быть и химические группы разных молекул, составляющих буфер, и разные химические группы одной молекулы, представляющей собой буфер (как, например молекула гемоглобина) при том, что изменение его содержания в несвязанном виде в среде не превышает единицу. Другая характеристика буфера - константа ассоциации или обратная ей величина -константа диссоциации. Первая из них определяет степень связывания вещества с буфером (точнее, с конкретной химической группой или группами его составляющими), вторая - степень обратного процесса.
Понятно, что чем больше емкость информационного буфера, тем больше информации может быть сохранено в нем. Чем выше константы ассоциации - тем легче осуществляется запоминание. Чем выше константы диссоциации -тем легче информации извлекается из памяти. При этом константа диссоциации может быть столь же высока (или низка), как и константа ассоциации. Из приведенных положений следует, что 1) разные виды памяти (например, долговременная или кратковременная) могут обеспечивать различные буферные системы (разные по структуре белки, синтез которых обеспечивается разными генами и соответственно РНК); 2) количество запоминаемой информации
определяется качество белка (структурой), а не его количеством или иначе, емкость памяти определяется емкостью буфера; 3) запоминание оказывается тем лучше, чем доступнее компоненты буфера, что обусловливается не только собственно химическими свойствами буферной системы, но и условиями среды. Последнее, по сути, вновь означает молекулярно-ионную структуру элемента памяти, обеспечивающего хранение факта. Следовательно, если емкость буфера исчерпана, то информация в нем не сохраняется. Она либо не сохраняется вообще, либо сохраняется в другом аналогичном буфере.
Как известно, в процессе обучения (запоминания) происходит синтез РНК и белка [2]. Этот экспериментальный факт нужно привести в соответствие тому, что синтез биополимеров de novo - необходимый, но недостаточный процесс для запоминания. Попробуем это сделать.
Очевидно, в клетках мозга (в каких именно - сказать трудно, но в данном случае - не важно; не исключено, что в клетках глии) имеются готовые и свободные для записи и (но не хранения) информации молекулы (матрицы). Одновременно матрица является непосредственным или опосредованным блокатором генов ее синтеза. Когда информация в виде серии электрических импульсов поступает в соответствующие клетки, изменяются параметры внутриклеточного САИВ и происходит разблокирование генов синтеза матрицы. Затем следует синтез РНК и соответствующей матрицы (белка - второго приемника (см. схему в [3]). Вновь синтезированные молекулы не являются теми, на которых хранится новая информация, но они синтезируются на будущие нужды «про запас». Однако в такой ситуации, когда белок, необходимый на нужды памяти, синтезируется в процессе получения информации, его в принципе может накопиться сколь угодно много, а значит, и вес мозга со временем должен увеличиться. Заметим, что, критикуя «исключительно молекулярный подход» к решению проблемы памяти, авторы, тем не менее, отдают предпочтение гипотезе, согласно которой давно полученным результатам «основой обучения являются особые вновь созданные молекулы», следствием чего, несомненно, должно стать увеличение веса анатомически сформированного мозга. Следовательно, белок, синтез которого происходит на подходящих РНК во время обучения (в процессе запоминания), - это белок-передатчик (второй), и он - короткоживущая молекула. Время его жизни, очевидно, ограничено временем получения новой информации и ее перезаписи информации на стабильные структуры, после чего передатчик разрушается.
Отсюда, между прочим, может быть, становится понятным механизм кратковременной памяти: ее обеспечивают подобного рода белки-передатчики, и, в том случае, когда информация с них не перезаписана на ее накопители, она просто перестает существовать. Далее ясно, что далеко не вся информация передается без ошибок и вообще передается в долговременную память. Наконец, можно предположить, что процесс запоминания в результате повторения связан с тем, что на одной молекулах белков-передатчиков, пока они не анаболизированы (существуют), одна и та же информация может быть записана более, чем в одной копии, и чем их больше, тем больше копий может оказаться в стабильных структурах - накопителях информации.
Вместе с тем не исключено, что белок-передатчик может функционировать (не обязательно перемещаясь физически) определенное время, передавая в библиотеку памяти информацию, освобождаясь от нее и вновь принимая фор-
му, в которой он может принимать информацию. Однако при этом какая-то часть молекул белка-передатчика, как и любых других функционирующих молекул, будет неизбежно изнашиваться, то есть утрачиваться. Вот взамен таких, утраченных, молекул и синтезируются (отсюда синтез РНК при обучении) в необходимом количестве новые.
К сказанному следует добавить, что наличие таких белков-передатчиков, которые синтезируются загодя, про запас, а не в момент запоминания и не в процессе его, ограничивают память естественным образом, физическим пределом. Разумеется, такой предел (количество молекул белков-передатчиков) индивидуален, а синтез соответствующих молекулярных структур отложен во времени. Возможно, у лиц, запоминающих очень большой или даже неограниченный объем информации (есть и такие уникумы [04]) имеется уникальная же возможность синтеза белков-передатчиков в процессе запоминания, а объем памяти, который может быть реализован в данный момент, «сейчас» определяется тем, идет ли вообще подобный синтез в реальном времени.
Таким образом, структурные элементы библиотеки памяти представлены диспетчерами, коммутаторами (не исключено, что оба они находятся в пределах одной молекулярной или субмолекулярной структуры), передатчиками и накопителями (схема).
СХЕМА. ВОЗМОЖНАЯ СТРУКТУРА БИБЛИОТЕКИ ПАМЯТИ
ВХОД(Ы)
|
ДИСПЕТЧЕР-КОММУТАТОР-ФАКТОМЕТР
I
ПЕРЕДАТЧИК(И)
I
ПРИЕМНИК - ОТДЕЛ(Ы) + КАТАЛОГ(И)
|
ДИСПЕТЧЕР-КОММУТАТОР
|
ПЕРЕДАТЧИК(И)
|
ПРИЕМНИК - ОТСЕК(И) + КАТАЛОГ(И)
|
ПЕРЕДАТЧИК(И)
|
И Т. Д. (БОЛЕЕ МЕЛКИЕ РАЗДЕЛЫ БИБЛИОТЕКИ)
|
НАКОПИТЕЛЬ(И) Литература
1. Герасимов И.Г., Яшин А.А. Ионно-молекулярная модель памяти. Введение. Основные определения. Виды памяти (краткий обзор) // Вестник новых медицинских технологий. 2013. Т. 20. № 4. C. 165-171.
2. Герасимов И.Г., Яшин А.А. Ионно-молекулярная модель памяти. Материальные носители доставки и хранения информации // Вестник новых медицинских технологий. 2013. Т. 20. № 4. C. 171-176.
3. Герасимов И.Г., Яшин А.А. Ионно-молекулярная модель памяти. Способы кодирования (формализации) и переноса информации // Вестник новых медицинских технологий. 2014. Т. 21. № 1. C. 100-104.
4. Gardiner K., Davisson M.T., Crnic L.S. Building protein interaction maps for Down's syndrome // Brief Funct Genomic Proteomic. 2004. V. 3. № 2. P. 142-156.
5. Miller R.R., Kasprow W.J., Schachtman T.R. Retrieval variability: sources and consequences // Am. J. Psychol. 1986. V. 99. № 2. P. 145-218.
6. Агаджанян Н.А., Тель Л.З., Циркин В.И., Чесноко-ва С.А. Физиология человека. С-Пб: Сотис, 1998. 527 с.
7. Михайлов В.В. Основы патологической физиологии. М.: Медицина, 2001. 704 с.
8. Нормальная физиология / Под ред. К.В. Судакова. М.: Мед. информ. агентство, 1999. 717 с.
9. Общая патология / Под ред. Н.П. Чесноковой. М.: Академия, 2006. 336 с.
10. Уэст Дж. Физиология дыхания. М.: Мир, 1988. 200 с.
11. Altgassen M., Phillips L., Kopp U., Kliegel M. Role of working memory components in planning performance of individuals with Parkinson's disease // Neuropsychol. 2007. V. 45. № 10. P. 2393-2397.
12. Baddeley A.D. Is working memory still working? // Am Psychol. 2001. V. 56. № 11. P. 851-864.
13. Baddeley A.D. The episodic buffer: a new component of working memory? // Trends Cogn. Sci. 2000. V. 4. № 11. P. 417-423.
14. Baddeley A.D., Hitch G.J. Development of working memory: should the Pascual-Leone and the Baddeley and Hitch models be merged? // J. Exp. Child. Psychol. 2000. V. 77. № 2. P. 128-137.
15. Osaka N., Osaka M., Kondo H., Morishita M., Fu-kuyama H., Shibasaki H. The neural basis of executive function in working memory: an fMRI study based on individual differences // Neuroimage. 2004. V. 21. № 2. P. 623-631.
16. Janculjak D., Mubrin Z., Brzovic Z., Brinar V., Barac B., Palic J., Spilich G. Changes in short-term memory processes in patients with multiple sclerosis // Eur. J. Neurol. 1999. V. 6. № 6. P. 663-668.
17. Feredoes E., Postle B.R. Localization of load sensitivity of working memory storage: quantitatively and qualitatively discrepant results yielded by single-subject and group-averaged approaches to fMRI group analysis // Neuroimage. 2007. V. 35. № 2. P. 881-903.
18. Scharnowski F., Hermens F., Kammer T., Ogmen H., Herzog M.H. Feature fusion reveals slow and fast visual memories // J. Cogn. Neurosci. 2007. V. 19. № 4. P. 632-641.
19. Делякур Ж. Мозг и разум. К.: Факт, 1999. 96 с.
References
1. Gerasimov IG, Yashin AA. Ionno-molekulyarnaya model' pamyati. Vvedenie. Osnovnye opredeleniya. Vidy pa-myati (kratkiy obzor). Vestnik novykh meditsinskikh tekhnolo-giy. 2013;20(4):165-71. Russian.
2. Gerasimov IG, Yashin AA. Ionno-molekulyarnaya model' pamyati. Material'nye nositeli dostavki i khraneniya
informatsii. Vestnik novykh meditsinskikh tekhnologiy. 2013;20(4):171-6. Russian.
3. Gerasimov IG, Yashin AA. Ionno-molekulyarnaya model' pamyati. Sposoby kodirovaniya (formalizatsii) i pereno-sa informatsii. Vestnik novykh meditsinskikh tekhnologiy. 2014;21(1):100-4. Russian.
4. Gardiner K, Davisson MT, Crnic LS. Building protein interaction maps for Down's syndrome. Brief Funct Genomic Proteomic. 2004;3(2):142-56.
5. Miller RR, Kasprow WJ, Schachtman TR. Retrieval variability: sources and consequences. Am. J. Psychol. 1986;99(2):145-218.
6. Agadzhanyan NA, Tel' LZ, Tsirkin VI, Chesnoko-va SA. Fiziologiya cheloveka. S-Pb: Sotis; 1998. Russian.
7. Mikhaylov VV. Osnovy patologicheskoy fiziolo-gii. Moscow: Meditsina; 2001. Russian.
8. Normal'naya fiziologiya / Pod red. K.V. Sudakova. Moscow: Med. inform. Agentstvo; 1999. Russian.
9. Obshchaya patologiya / Pod red. N.P. Chesnokovoy. Moscow: Akademiya; 2006. Russian.
10. Uest Dzh. Fiziologiya dykhaniya. Moscow: Mir; 1988. Russian.
11. Altgassen M, Phillips L, Kopp U, Kliegel M. Role of working memory components in planning performance of individuals with Parkinson's disease. Neuropsychol. 2007;45(10):2393-7.
12. Baddeley AD. Is working memory still working? Am Psychol. 2001;56(11):851-64.
13. Baddeley AD. The episodic buffer: a new compo-nent of working memory? Trends Cogn. Sci. 2000;4(11):417-23.
14. Baddeley AD, Hitch GJ. Development of working memory: should the Pascual-Leone and the Baddeley and Hitch models be merged? J. Exp. Child. Psychol. 2000;77(2):128-37.
15. Osaka N, Osaka M, Kondo H, Morishita M, Fukuyama H, Shibasaki H. The neural basis of executive function in working memory: an fMRI study based on individual differences. Neuroimage. 2004;21(2):623-31.
16. Janculjak D, Mubrin Z, Brzovic Z, Brinar V, Barac B, Palic J, Spilich G. Changes in short-term memory processes in patients with multiple sclerosis. Eur. J. Neurol. 1999;6(6):66-8.
17. Feredoes E, Postle BR. Localization of load sensi-tivity of working memory storage: quantitatively and qualitatively discrepant results yielded by single-subject and group-averaged approaches to fMRI group analysis. Neuroimage. 2007;35(2):881-903.
18. Scharnowski F, Hermens F, Kammer T, Ogmen H, Herzog MH. Feature fusion reveals slow and fast visual memories. J. Cogn. Neurosci. 2007;19(4)632-41.
19. Delyakur Zh. Mozg i razum. K.: Fakt; 1999. Russian.
