Нейрохимия - Ашмарин И.П.
ISBN 5-900760-02-2
Скачать (прямая ссылка):
11.2. ИНФОРМАЦИОННАЯ ЕМКОСТЬ НЕЙРОЛОГИЧЕСКОЙ ПАМЯТИ
Все созданные до сих пор гипотезы, касающиеся вопроса о том, в каком виде хранится запоминаемая информация, можно подразделить на две основные категории. Согласно одной, основой памяти является синтез новых макромолекул, не существовавших ранее в организме (ни как таковых, ни в форме репрессированных генов), а в соответствии с другой, более обоснованной экспериментально, — субстратом памяти служит формирование устойчивых взаимодействий элементов нервной системы, при которых имеет место усиление или включение синтеза ряда соединений, не новых для данного организма. Последние, как было сказано, модифицируют работу синаптического аппарата, создавая возможности для предпочтительного проведения возбуждения в определенных нервных сетях. В этом случае основой нейрологической памяти могут быть системы, подобные тем, которые используются в ЭВМ, т.е. системы со связанными переключателями. Запоминание при этом состоит в фиксации определенного положения переключателей, образующих строго определенную систему связей, при которой прохождение сигналов будет направлено строго определенным образом. При
396
такой аналогии каждый нейрон может быть уподоблен многопозиционному переключателю.
Возникает вопрос, обеспечивает ли такая модель достаточные возможности для хранения всей той информации, которая должна фиксироваться животным (или тем более человеком) в течение его жизни. Согласно теории информации информационная емкость некоторой структуры может быть измерена в единицах информации (битах) по формуле I = log2N, где N — число возможных вариантов состояния структуры, a log2N — соответственно логарифм этого числа по основанию 2.
Определим возможную емкость нервной сети из m нейронов. Если на каждой нервной клетке расположено п синаптических окончаний (т.е., согласно приведенной аналогии, любой из п переключателей может быть замкнут или разомкнут), то число возможных состояний такой системы равно nm и ее информационная емкость при условии, что все состояния считаются равновероятными, составляет
I=log2nm=mlog2n
Число нейронов в мозге примем равным 5-109, а количество синаптических контактов у каждого из них примем с точностью до порядка (при заниженной оценке) равным I02. Если хотя бы только 10% нейронов связано с памятью, то информационная емкость такой системы составляет
0,5l09log2100 « 3,3109 бит
Теоретический максимум информации, которая размещается в течение жизни в самой долговременной памяти, можно рассчитать, исходя из сведений о максимальной скорости ввода новой информации в мозг человека и о той доли информации, которая надолго закрепляется в ДП. Эти показатели сравнительно просто поддаются экспериментальной оценке, если пользоваться легко анализируемыми источниками информации.
Исходя из экспериментальных оценок, максимальная скорость ввода информации составляет 10-30 бит/с. В ДП закрепляется не более одного процента вводимой информации, т.е. скорость поступления информации в ДП можно принять равной 0,1-0,3 бит/с. При продолжительности жизни, равной семидесяти годам, с учетом того, что человек бодрствует две трети жизни, непрерывно поглощая при этом информацию, общее количество информации, зафиксированной в ДП, будет порядка 109 бит. Это в три раза меньше приведенной оценки для информационной емкости мозга (при допущении, что в процессе фиксации следа памяти участвует лишь 10% нейронов).
397
Что касается КП и ООП, то их объем много меньше, чем объем ДП. Предположим, продолжительность ООП составляет несколько часов и в течение этого периода в ней хранятся все сто процентов воспринятой информации, тогда информационная емкость этой формы памяти составит -3-105 бит, что в десять тысяч раз меньше рассчитанных возможностей мозга.
Так обстоит дело с возможностью хранения информации в виде фиксированных межнейронных связей. Попытаемся теперь ответить на вопрос, возможно ли запасание информации в структуре макромолекул с точки зрения их информационной емкости. Сопоставим данные о количестве информации, которую мозг человека может накапливать в течение жизни ( ~109 бит), с информационной емкостью линейных полимеров, используемых системами генетической памяти.
Четыре вида нуклеотидов могут образовывать 43 — 64 варианта триплетов. Информация, содержащаяся в одном триплете, следовательно, должна была бы составить log264 = 6 бит. На самом деле, поскольку код вырожден и некоторым триплетам соответствуют одни и те же аминокислоты, информация, содержащаяся в триплете, оказывается меньше и составляет приблизительно 4 бит. Информационное содержание одного аминокислотного остатка в полипептиде, казалось бы, должно быть таким же, как в триплете, но на самом деле оно оказывается меньше из-за различной частоты встречаемости аминокислот и при вычислении по формуле Шеннона составляет примерно 2 бит.
Следовательно, при информационном содержании памяти 109 бит для хранения этой информации требуется 2,5-Ю11 Д информационной РНК, около 5-1011 Д ДНК и около 5 Ю10 Д белка. Согласно данным Хидена, в цитоплазме большого нейрона содержится 650 пг, а в ядре — 30 пг РНК, что равно, соответственно, 4-1014 и 1,81013 Д. В других нейронах содержание РНК меньше, но все равно оно колеблется около 1013 Д. Это в несколько сот раз больше, чем требуется для обеспечения ДП.
