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

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 n^m и ее информационная емкость при условии, что все состояния считаются равновероятными, составляет

I=log₂n^m=mlog₂n

Число нейронов в мозге примем равным 5-Ю⁹, 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«3,310⁹6HT

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).

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 Iog₂64 = 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 2,5-10" Д информационной РНК, около 510" 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, 410⁾⁴ и 1,8 10¹³ Д. В других нейронах содержание РНК меньше, но все равно оно колеблется около 10^!3 Д. Это в несколько сот раз больше, чем требуется для обеспечения ДП.

Количество ДНК в нейронах уступает содержанию РНК. ДНК находится в основном в ядрах и составляет там ~610¹² Д, но и эта величина оказывается приблизительно в десять раз больше величины, требуемой для обеспечения памяти. Другими словами, десятой доли количества ДНК или сотой доли РНК, содержащейся в нейроне, достаточно для хранения нейрологической памяти, которую человек фиксирует в течение жизни.

Доля белка, содержащегося в нейронах, необходимая для фиксации энграммы, оказывается еще меньше.

Итак, биополимеров одного нейрона с избытком достаточно

для обеспечения как ограниченной во времени, так и долговременной памяти мозга. Более того, количество ДНК в хромосомах нейрона (как и любой клетки) таково, что, следуя цепи рассуждений, можно дойти до предположений о генетической передаче какой-то доли приобретенной нейрологической информации. Однако такое утверждение противоречит экспериментальным данным и теоретическим представлениям современной генетики.

Приведенные расчеты следует оценивать лишь как доказательство заведомой, колоссальной избыточности информационной емкости макромолекул клеток мозга. Очевидно также, что только из оценок информационной емкости макромолекул не вытекает необходимость существования в мозге огромного количества нервных клеток. Иначе говоря, только с точки зрения количества информации нельзя сделать выбор между гипотезой о том, что память основана на межнейронных взаимодействиях, и гипотезой о непосредственном хранении памяти в биополимерах.

Не решает однозначно вопроса о способе хранения энграммы и тот факт, что ингибиторы синтеза ДНК не подавляют ни фиксацию, ни хранения следа в ДП. Если считать, что в ДП в течение суток включается около 210⁴ бит информации, то это составит примерно 10⁷ Д вновь синтезируемой ДНК, т.е. всего миллионную долю ДНК, содержащейся в одной нервной клетке. Даже если допустить, что при запоминании синтезируются десятки идентичных молекул ДНК, то и в этом случае такую долю можно не уловить существующими аналитическими методами и не отметить нарушения запоминания такими ингибиторами, как, например, цитозин-арабинозид, степень торможения синтеза ДНК которым составляет не намного более 95%.

■ Таким образом, вопрос о механизме хранения энграммы приходится решать другими методами. Результаты исследований в настоящее время все в большей степени свидетельствуют о предпочтительности гипотезы, согласно которой память хранится в виде структуры межнейронных взаимодействий.