сформированных опытом, и если мы знаем поведенчески,
что моторные воспоминания длятся всю жизнь, то как мы можем объяснить тот факт,
что отдельные синаптические шипы постоянно меняются и что совокупные синаптические силы
постоянно колеблются?
Как воспоминания могут пережить свои предполагаемые составляющие компоненты?
Как постоянство памяти строится из постоянно исчезающих синаптических шипов?"
(Bizzi & Ajemian, 2015, стр. 91-92)
«Субстрат синаптической памяти требует, чтобы вычисления выполнялись посредством
распространения пиковой активности,
что требует энергетических затрат примерно на 13 порядков выше, чем затраты,
понесенные, если вычисления будут реализованы с использованием внутриклеточных молекул»
(Gershman et al., 2021, стр. 2) ).
Здесь стоит отметить, что 13 порядков величины равняются
10 в ТРИНАДЦАТОЙ СТЕПЕНИ,
что означает - синаптическая память потребует примерно в 10 триллионов раз больше энергии,
чем молекулярная память.
В эксперименте, проведенном исследовательской лабораторией Тонегавы (Ryan et al., 2015),
нейронам кондиционированных / обученных мышей вводили фармакологическое средство (анизомицин),
которое нарушало рост / консолидацию синапсов (что считалось необходимым для памяти).
Следовательно, была индуцирована ретроградная амнезия
(воспоминания не могли быть восстановлены мышами с помощью триггера эмоций / страха).
Однако эти «потерянные» воспоминания можно было реактивировать,
направив лазер на соответствующие нейроны (памяти), которые были помечены
на этапе кондиционирования / обучения. Здесь под лазером понимается оптогенетика,
биологический метод, который использует свет для управления нейронами,
которые были генетически модифицированы для экспрессии светочувствительных ионных каналов.
Исследование Тонегавы пришло к выводу,
что увеличение синаптической силы не было решающим условием
для хранения информации в памяти.
Внутри нейрона есть два основных типа молекул, которые, как известно,
обладают способностью хранить информацию:
дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК)
Фрэнсис Крик, который был удостоен Нобелевской премии 1962 года по физиологии и медицине за
расшифровку спиральной структуры молекулы ДНК (Нобелевская премия, 1962 г.)
впервые предположил, что «память может быть закодирована в чередованиях
определенных участков хромосомной ДНК» (Crick, 1984, стр. 101).
Предполагаемый эпигенетический (негенетическое влияние на экспрессию генов)
механизм памяти (метилирование или деметилирование ДНК) был дополнительно разработан
молекулярным биологом Робином Холлидей (Holliday, 1999).
Недавняя работа исследователей из Медицинской школы Университета Джона Хопкинса (Yu et al., 2015)
привела к выводу, что нейроны постоянно переписывают свою ДНК:
«Раньше мы думали, что когда клетка достигает полного созревания,
ее ДНК становится полностью стабильной», но «это исследование показывает,
что некоторые клетки на самом деле постоянно изменяют свою ДНК просто для
выполнения повседневных функций »(Johns Hopkins Medicine, 2015).
В результате совместных усилий исследователей из Университета Алабамы в Бирмингеме,
колледжа Бейтса и Университета Вандербильта было обнаружено, что 9,2% ДНК в гиппокампе мышей
были изменены после доведения мышей до ужаса (Duke et al, 2017).
В другой недавней работе (McConnell et al., 2017) сделан вывод о том, что
нет двух нейронов генетически одинаковых: «Нас учили, что каждая клетка имеет
одинаковую ДНК, но это неправда», потому что «нейронные гены очень активны» (Макин, 2017) .
Вся одноцепочечная РНК в клетке состоит из двухцепочечной ДНК посредством процесса,
называемого транскрипцией. Следовательно, изменения в ДНК будут передаваться
к РНК.
В качестве альтернативы, РНК также потенциально может быть изменена сама по себе,
В качестве альтернативы, РНК также потенциально может быть изменена сама по себе,
В качестве альтернативы, РНК также потенциально может быть изменена сама по себе,
не обязательно с участием ДНК. Здесь стоит отметить, что существует
множество типов РНК (информационная РНК, транспортная РНК, рибосомная РНК, микроРНК).
Основанная на РНК гипотеза памяти и вычислений была недавно
предложена Хессамеддином Ахлагпуром из университета Rockefeller (Ахлагпур, 2020).
Эксперимент, проведенный Брайаном Дж. Диасом и Керри Дж. Ресслером
из Университета Эмори, показал, что обусловленность страха у мышей может
передаваться от родителей к потомству (Dias & Ressler, 2014).
Ресслер предположил, что люди также могут унаследовать эпигенетические
изменения, влияющие на поведение:
«Тревога родителей может влиять на последующие поколения через
эпигенетические модификации рецепторов гормонов стресса» (Callaway, 2013).
Akhlaghpour, H. (2020). A theory of universal computation through RNA. arXiv. https://arxiv.org/abs/2008.08814
Bizzi, E., & Ajemian, R. (2015). A hard scientific quest: understanding voluntary movements. Daedalus, 144(1), 83-95. https://doi.org/10.1162/DAED_a_00324
Callaway, E. (2013, December 1). Fearful memories haunt mouse descendants. Nature News. https://www.nature.com/news/fearful-memories-haunt-mouse-descendants-1.14272
Dias, B. G., & Ressler, K. J. (2014). Parental olfactory experience influences behavior and neural
structure in subsequent generations. Nature Neuroscience, 17(1), 89-96.
https://doi.org/10.1038/nn.3594
Duke, C. G., Kennedy, A. J., Gavin, C. F., Day, J. J., & Sweatt, J. D. (2017). Experience-
dependent epigenomic reorganization in the hippocampus. Learning & Memory, 24(7), 278-
288. https://doi.org/10.1101/lm.045112.117
Eastman, Q. (2013, December 2). Mice can inherit learned sensitivity to a smell. Emory News
Center. https://news.emory.edu/stories/2013/12/smell_epigenetics_ressler/campus.html
Holliday, R. (1999). Is there an epigenetic component in long-term memory? Journal of
Theoretical Biology, 200(3), 339-341. https://doi.org/10.1006/jtbi.1999.0995
Makin, S. (2017, May 3). Scientists surprised to find no two neurons are genetically alike.
Scientific American.
https://www.scientificamerican.com/article/scientists-surprised-to-find-no-two-neurons-are-genetically-alike/
McConnell, M. J., Moran, J. V., Abyzov, A., Akbarian, S., Bae, T., Cortes-Ciriano, I., Erwin, J.
A., Fasching, L., Flasch, D. A., Freed, D., Ganz, J., Jaffe, A. E., Kwan, K. Y., Kwon, M., Lodato, M. A., Mills, R. E., Paquola, A. C. M., Rodin, R. E. Rosenbluh, C., ...Brain Somatic Mosaicism Network (2017). Intersection of diverse neuronal genomes and neuropsychiatric disease: The Brain Somatic Mosaicism Network. Science, 356(6336), 1-9. https://doi.org/10.1126/science.aal1641
Ryan, T. J., Roy, D. S., Pignatelli, M., Arons, A., & Tonegawa, S. (2015). Engram cells retain memory under retrograde amnesia. Science, 348(6238), 1007-1013. https://doi.org/10.1126/science.aaa5542
Yu, H., Su, Y., Shin, J., Zhong, C., Guo, J. U., Weng, Y.-L., Gao, F., Geschwind, D. H.,
Coppola, G., Ming, G.-L., & Song, H. (2015). Tet3 regulates synaptic transmission and homeostatic plasticity via DNA oxidation and repair. Nature Neuroscience, 18(6), 836-845. https://doi.org/10.1038/nn.4008
Приложение:
https://arxiv.org/pdf/2008.08814.pdf
Можно утверждать, что вычисления - это самый фундаментальный аспект жизни.
Любая проблема, которая включает преобразование входных данных в выходные данные,
где информационное содержание, а не материальное содержание определяет проблему,
является проблемой вычислений. Некоторые примеры вычислений в биологии включают:
использование зрения для управления движением крыльев при полете насекомых,
овладение языком у людей, принятие решений одноклеточными инфузориями [1, 2]
и эмбриональное развитие, процесс принятия решений, начинающийся с одной клетки
и координация между дочерними ячеек,
чтобы создать сложную, детализированную трехмерную структуру.
Несмотря на то, что вычисления, которые происходят в этих условиях, плохо изучены,
обычно предполагается, что механические строительные блоки,
которые выполняют вычисления в биологии,
уже определены. В области поведения животных этими строительными блоками
считаются нейроны и нейронные сети. Считается, что в области клеточного поведения
и эмбрионального развития они представляют собой молекулярные каскады,
генные регуляторные сети и пути передачи сигналов. Но
адекватность этих строительных блоков спорна и не укоренена в теории вычислений.
Фактически, если мы серьезно относимся к теории вычислений, разумно предположить,
что может существовать вычислительная система, которая остается неоткрытой в биологии.
...
Недавние разработки в молекулярной биологии предполагают возможность того,
что небелковая РНК играет еще неоткрытую критическую роль.
Примерно 1,74% генома человека находится в зрелой мРНК,
и более половины этого числа составляют нетранслируемые области,
не кодирующие белки.
При этом было обнаружено, что подавляющая часть генома человека активно транскрибируется.
Открытие первазивной транскрипции вызывает споры, а функциональное значение некодирующей части
транскриптома активно обсуждается. Сторонники гипотезы «мусорной ДНК» считают,
что не более 15% генома человека могут иметь функциональное значение,
а остальная часть приводит к «транскрипционному шуму» при транскрипции.
Противоположная точка зрения утверждает, что большая часть генома человека
может быть функциональной и что сохранение последовательности не является
необходимым условием для функциональной значимости и что
существует множество других индикаторов функции, таких как сохранение вторичной структуры,
консервация промоторных последовательностей, клеточная специфичность по уровням экспресси,
субклеточная организация, и временная регуляция во время эмбрионального развития.
Общегеномные ассоциативные исследования показывают,
что более 70% генетических локусов, связанных с признаками и заболеваниями,
попадают в межгенные или интронные области. Было обнаружено,
что эти области в большом количестве транскрибируются высокоспецифичным
для клеточного типа образом, совместимым с их ассоциированными чертами.
У разных организмов соотношение небелкового кодирования и кодирования белка
в геноме зависит от сложности организма, в то время как количество генов,
кодирующих белок, а также общая длина кодирующих белок последовательностей
находится на плато. Хотя есть много индикаторов, указывающих на функцию,
механистические роли некодирующих РНК еще предстоит обнаружить.
Вопрос о функции некодирующих РНК даже был описан как «самый важный вопрос в генетике».
Я предлагаю теорию, согласно которой non-protein-coding часть генома
и транскриптома содержит данные и программный материал неизведанной
универсальной вычислительной системы в биологии.
...
Другими словами, вычислительные системы должны быть от строк к строкам,
или от чисел к числам, или от нервных импульсов к нервным импульсам и т. Д.,
Чтобы быть сопоставимыми.
Возможно, удастся разработать более общую структуру,
которая оценивает вычислительные системы с разными доменами ввода и вывода,
но в настоящее время у нас нет такой структуры.
Для аргументации я ограничу определение биологической вычислительной системы
только включением систем, которые работают в одной и той же области ввода и вывода.
Прежде чем мы примем идею о том, что абстракции, подходящие
для понимания вычислений в живых организмах, являются исключительными
и могут каким-то образом обойти структуры и ограничения, которые появляются
в теории вычислений, необходимо столкнуться с тяжелым бременем обоснования.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867419301011
Зрение млекопитающих в ближнем инфракрасном диапазоне с помощью инъекционных и автономных наноантенн сетчатки
Млекопитающие не могут видеть свет с длиной волны более 700 нм.
Это ограничение связано с физическими термодинамическими свойствами опсинов,
детектирующих фотоны.
Однако обнаружение естественного невидимого света в ближней инфракрасной области (NIR)
является желательной способностью. Чтобы преодолеть это ограничение,
мы разработали наночастицы с повышающим преобразованием, связывающиеся с фоторецепторами,
для инъекций в глаз (pbUCNP).
Эти наночастицы закреплены на фоторецепторах сетчатки как миниатюрные
преобразователи света в ближнем ИК-диапазоне для создания изображения в
ближнем ИК-диапазоне с незначительными побочными эффектами.
Основываясь на записях одного фоторецептора, электроретинограммах,
записях коры головного мозга и визуальных поведенческих тестах,
мы продемонстрировали, что мыши с этими наноантеннами могут
не только воспринимать свет в ближнем ИК-диапазоне,
но и видеть световые узоры в ближнем ИК-диапазоне. Что интересно,
мыши, которым вводили инъекции, также смогли различать сложные формы в NIR.