Ученые выяснили, как думает плесень

Начинают оправдываться надежды, что созданный полгода назад четвёртый элемент схемотехники, мемристор, поможет понять возникновение интеллекта.

Смоделировать человеческое сознание Юрий Першин и его коллеги пока не смогли, но созданная ими схема очень неплохо описывает "интеллект" слизистого грибка, не перестающий удивлять учёных последние годы.

Весной этого года сотрудники американской компании Hewlett Packard объявили, что им удалось создать четвёртый пассивный элемент электротехники - мемристор, или резистор с памятью. Сопротивление этого устройства постепенно меняется под действием приложенного напряжения, и таким образом, у мемристора в каждый момент времени есть своего рода память о том, что происходило в электрической цепи прежде.

Один из создателей мемристора Дмитрий Струков в интервью "Газете.Ru" тогда сразу же заметил, что его детище чем-то напоминает контакты между нервными клетками у живых организмов (физиологи называют их синапсами). Предполагается, что человеческая память определяется именно тем, какие нейроны мозга связаны друг с другом и насколько сильны эти связи. Притом запоминание есть не что иное, как изменение силы этих связей под действием ощущений, порождающих внутримозговые сигналы. Естественно, "изменение силы связей" включает и такие крайние случаи, как их разрыв или появление новых.

Струков предположил, что в будущем можно будет скопировать эту структуру, построив нейроны из транзисторов, а синапсы заменив мемристорами. Может быть, так удастся скопировать не только структуру, но и само сознание, которое и описанию-то поддаётся с трудом?

Пока до таких высот мысли наука не добралась, однако трём американским физикам удалось с помощью мемристора смоделировать "интеллект" слизистой плесени - её способность "учиться", забывать выученное и восстанавливать память при напоминании.

Более того, учёные подозревают, что им известна физиологическая структура, которая играет роль мемристора в плесневой клетке.

Поведение слизистого грибка Physarum polycephalum не перестаёт удивлять учёных уже не первый год. Притом слово "поведение" в применении к этому организму не кажется неуместным. За последние 10 лет учёные выяснили, что это гигантское одноклеточное способно изобретать нетривиальные способы преодоления лабиринтов, заставили его разгадывать геометрические головоломки и даже сделали частью простейшего киборга -робота, часть функций, которого возложили на слизистый гриб. Всего месяц назад за одну из этих работ её авторы даже получили "Шнобелевскую" премию в области когнитивных наук, однако когнитивный диссонанс, порождаемый словосочетанием "интеллект плесени", побуждает всё новых и новых исследователей к её дальнейшему изучению.

В начале года Тэцу Саигуса и Тосиюки Накагаки из японского Университета Хоккайдо рассказали на страницах престижного журнала Physical Reviews Letters, как обнаружили у слизи способности к обучению. Если миксамёбе Physarum polycephalum три раза подряд каждый час на 10 минут снижать температуру и влажность, то ещё через час клетка на 10 минут замрёт в ожидании неблагоприятных условий - даже если на деле влажность и температура останутся оптимальными. Со временем плесень забывает, чему её научили, - ещё через час она уже не остановится, а лишь немного замедлит ход. Но стоит напомнить ей о неприятностях, опять понизив влажность и температуру, и память вернётся: часом позже она снова застынет в ожидании худшего.

Наличие у плесени памяти не было совсем уж неожиданным - прежние эксперименты с лабиринтами показывали, что клетка на каждой новой развилке каким-то образом помнит, в какую сторону поворачивали её отростки на предыдущих. Удивила учёных именно способность учиться, забывать и восстанавливать память по напоминанию.

Японцы предложили и довольно простую модель, которая, по их мнению, неплохо объясняла происходящее. Согласно модели, в гигантской клетке Physarum polycephalum есть огромное множество разнообразных биохимических "маятников" с самыми разнообразными периодами. Есть среди них и маятники с периодом в один час, причём их много, и какие-то ускоряют движение миксамёбы, какие-то - замедляют его. Но поскольку все они колеблются в разнобой, то ползёт клетка с более или менее постоянной скоростью.

А вот когда внешние условия меняются, те процессы, что ускоряли движение в неподходящий момент, отключаются - на них в холоде и сухости тратится слишком много ресурсов. Несколько ритмичных "ударов судьбы" - и в организме активными остаются лишь те маятники, что в нужный момент замедляют ход. Это состояние некоторое время сохраняется, и ход слизь замедляет независимо от того, наносит ли судьба удары. А потом то ли маятники вновь разбалтываются и начинают идти вразнобой, то ли отключённые" маятники с неподходящими фазами вновь заводятся - модель Саигусы и Накагаки на этот счёт ничего конкретного не утверждала. Но, так или иначе, через некоторое время слизь забывает "заданный ритм".

Можете объяснить, как в рамках этой модели слизь восстанавливает в памяти забытый ритм, когда ей напомнят?

Вот и трое американских физиков из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Университета штата Южная Каролина не смогли. Юрий Першин, Стивен Лафонтен Массимилиано Дивентра предложили свою модель, которая феномен собственно памяти объясняет гораздо успешнее.

Модель Першина и его коллег не такая умозрительная. Это электросхема, которую даже можно было бы спаять, не будь один из её элементов экзотикой, которую пока не продают в магазинах радиодеталей. В остальном же эта схема проще простого - в ней всего четыре элемента - резистор, конденсатор, катушка индуктивности и мемристор. Это все четыре известные науке линейные, пассивные и не сводимые друг к другу элементы электрических схем с двумя контактами.

Мемристор - тот самый "четвёртый элемент схемотехники", реально работающую модель которого учёные смоли создать лишь весной нынешнего года. Опытный образец нельзя назвать мемристором в оригинальном смысле этого слова (в работе образца никакой роли не играет магнитное поле), однако он обладает самым интересным свойством гипотетического мемристора: его сопротивление в данный момент зависит от того, какое напряжение было приложено к нему в прошлом. Именно это свойство и использовали физики в своей модели, рассудив, что именно "памятливость" мемристора поможет помочь объяснить память живого существа.

Как признался "Газете.Ru" Юрий Першин, закончивший в своё время Харьковский госуниверситет, вопрос о том, как соединить эти четыре элемента, решился довольно просто. Понятно, что в схеме должна была присутствовать какая-то структура, задающая ритм. В любом радиоприборе - ламповом приёмнике вашего дедушки или WiFi-модуле вашего iPhone`а, такой структурой, в конечном счёте, будет LC-контур - соединённые друг с другом катушка индуктивности и конденсатор. От резистора в этой схеме тоже никуда не денешься, поскольку в реальном мире у всех элементов есть сопротивление.

Оставался один вопрос - как подсоединить мемристор? Подключить его последовательно или параллельно?

Сначала учёные попробовали последовательное соединение. Они записали уравнения электротехники, определяющие работу такой схемы, и решили их с помощью компьютера. Но ничего похожего на поведение Physarum polycephalum не получилось.

Тогда учёные присоединили мемристор параллельно одному из элементов LC-контура. Какому именно - не так уж и важно, потому что качественно поведение схемы при этом не изменится. Першин и его коллеги присоединили мемристор к конденсатору. Снова записали уравнения электротехники, на этот раз для параллельной схемы, и снова стали их численно решать.

И вдруг всё сложилось. Немного поиграв параметрами схемы, учёные смогли построить модель, поразительно чётко описывающую поведение слизистого грибка.

Место внешних условий для развития миксамёбы - температуры и влажности- в электросхеме заняло приложенное к ней напряжение. Положительное напряжение означает благоприятные условия, отрицательное - неблагоприятные. Отклик же системы ("скорость, с которой ползёт слизь") в модели Першина не что иное, как напряжение на мемристоре и конденсаторе (при параллельном соединении эти два напряжения равны). Результаты этого моделирования изложены в статье, опубликованной в архиве электронных препринтов Корнельского университета. Сейчас работа находится на рецензировании в Science.

Если дать на вход этой схеме единичный отрицательный импульс - поместить её в "неблагоприятные условия", она откликнется быстро затухающими колебаниями с периодом, который определяют параметры LC-контура (изначально мемристор находится в высоко проводящем состоянии хорошо подавляющем колебания). Примерно так же модель себя ведёт и в случае, если неблагоприятные импульсы следуют нерегулярно. Но когда на входе оказывается серия импульсов, период которых похож на период контура, как в какой-то момент напряжение на мемристоре достигает порогового значения, и он быстро переходит в низко проводящее состояние - иными словам, "запоминает" серию неблагоприятных впечатлений.

Колебания в "запомнившей" схеме затухают гораздо медленнее, хотя конкретное значение затухания определяют произвольные, по большому счёту, параметры системы. Но главное в том, что мемристор из низко проводящего состояния вывести довольно сложно - схема построена таким образом, что при колебаниях напряжение на конденсаторе лишь ненадолго поднимается выше симметричного порогового значения, так что перейти в высоко проводящее состояние мемристор не успевает.

И хотя внешне схема никак не проявляет свою память, информация записана в низкой проводимости мемристора.

Стоит лишь напомнить схеме о неприятностях ещё одним отрицательным импульсом, как она тут же откликнется серией медленно затухающих колебаний - "вспомнит" то, чему её учили. При том память оказывается очень долгой - она восстановится и через сотню периодов LC-контура. Если бы память слизистого гриба, который использовали японцы в своём знаменитом эксперименте, была бы такой хорошей, то он бы вспоминал выученное и через несколько суток после обучения; в эксперименте на Physarum polycephalum память сохранялась лишь 6-7 часов.

Как конкретно устроена память настоящего слизистого гриба, физикам из Калифорнии и Южной Каролины неизвестно: "Мы физики, а не биологи", - предупреждает Юрий Першин. Не ясно, что в этой гигантской многоядерной клетке задаёт ритм, как он запоминает сигналы и что заставляет его забывать их. Однако общие сведения о физиологии гриба позволяют предположить, что роль мемристора в плесени играет система каналов, транспортирующих внутриклеточную жидкость гриба внутри его эластичной оболочки.

По современным представлениям, движение миксамёбы - это именно постоянное переливание внутриклеточной жидкости вперёд-назад (чем не "маятник"?) с небольшим перевесом потока "вперёд". Непрерывные вибрации актин-миозиновых белковых волокон создают перепад давления, который толкает жидкость. Сами же волокна соединены с оболочкой клетки, а на неё уже действует трение о поверхность, по которой ползёт миксамёба. В итоге сила трения частично уравновешивает реакцию волокон на движение жидкости и клетка в целом продвигается вперёд.

На самом деле, жидкость в клетке присутствует в двух ипостасях - в виде экто- и эндоплазмы. В первой вязкость больше, чем во второй и эндоплазма пробирается через каналы в эктоплазме, как вода через губку. Но когда давление на эктоплазму в каком-то месте превышает пороговое значение, её вязкость резко падает - можно сказать, что в эктоплазме "открывается ещё один канал". Понятно, что чем больше каналов открыто, тем быстрее может двигаться миксамёба. А количество открытых каналов в итоге определяет история движения слизи - ровно так, как сопротивление мемристора определяет история напряжения на его контактах. Кстати, если внимательно присмотреться к устройству мемристора, который был создан специалистами Hewlett Packard, можно заметить и более глубокое сходство двух моделей.

Конечно, было бы очень интересно применить модель с мемристором и к набору из нескольких LC-контуров с мемристорами, соединённых вместе. Такая система могла бы послужить моделью нейронных сетей человеческого мозга, взаимодействующих через синапсы. Правда, как подступиться к задаче Першин и Дивентра пока не знают. Учёные работают над этим вопросом.

Артем Тунцов