Оптогенетика — метод исследования возбудимых клеток, использующий белки, которые встраиваются в мембрану клетки и активируются светом (отсюда «опто»).
Такие белки (опсины) есть у большинства животных в сетчатке глаз, а также у некоторых растений, например у зеленых водорослей.
Чтобы встроить фотоактивируемые протеины в мембраны нейронов, приходится привносить в нейроны гены родопсинов, полученные из других организмов, отсюда «генетика».
В 2015 году оптогенетика отметила свой десятилетний юбилей. За это время эффективный инструмент изучения нервной системы окреп и получил ряд применений, которые изначально были недоступны
Опсины — это группа светочувствительных связанных с мембраной рецепторов, которые обнаружены в фоточувствительных клетках сетчатки. ru.wikipedia.org*
Функции опсинов:
- Участие в зрении. Пять групп опсинов принимают участие в передаче света в электрохимический сигнал и являются первым этапом в каскаде зрительной трансдукции.
- Ощущение других веществ. Помимо зрения и восприятия света, опсины могут также ощущать температуру, звук или химические вещества.
en.wikipedia.orgru.wikipedia.org*
У человека представлен следующий набор зрительных белков:
- Родопсин (Rh1, OPN2, RHO) — экспрессируется в палочках, участвует в ночном зрении.
- Четыре типа опсинов колбочек (фотопсины) — экспрессируются в колбочках, участвуют в цветном зрении.
**
Исследование шведских ученых поднимает вопросы, выходящие далеко за рамки нейробиологии. Если элементарные "кирпичики" нашего мозга — молекулы — обладают собственной формой памяти, то это заставляет по-новому взглянуть на природу сознания и память в целом.
Возможно, мы — не столько хозяева своих воспоминаний, сколько их наблюдатели. Сознательный опыт может быть эмерджентным свойством, возникающим из коллективной активности триллионов молекул, каждая из которых вносит крошечный вклад в общую картину.
Это напоминает знаменитую притчу о слепцах, ощупывающих слона: каждый ионный канал "знает" лишь о своем непосредственном окружении и реагирует на локальные изменения, но вместе они создают сложнейшую симфонию нейронной активности, которую мы воспринимаем как мысли, чувства и воспоминания.
Так кто же все-таки помнит — ваш мозг или молекулы внутри него? Ответ, похоже, находится где-то посередине. Память — это многоуровневый процесс, начинающийся с молекулярных изменений и заканчивающийся реорганизацией целых нейронных сетей. И в этой удивительной иерархии каждый уровень важен для конечного результата — нашей способности учиться, помнить и, в конечном счете, быть собой.
Открытие "молекулярной памяти" — еще один шаг к разгадке величайшей тайны природы: как материя может порождать сознание. И, возможно, ответ кроется не в каком-то единственном механизме, а в поразительной способности природы создавать сложное из простого, целое из частей, вечное из мгновенного.
*
=>>
модель сознания человека связана с вычислениями уровня быстродействия около 1-го экзафлопса -
так это 1 в 18-й степени операций в секунду
одновременно свет за секунду проходит расстояние равное размеру
2,14 * 10 в 18-й размеров атомов углерода (атом - это примерно 1/7 нанометра )
значит ли это что математически наше сознание привязано к размеру атомов и молекул белков а не только к живым клеткам нейронов
Этот вопрос затрагивает интересные аспекты связи между вычислительными мощностями мозга и физическими характеристиками материи. Давайте разберемся.
Вычислительная мощность мозга:
Оценки вычислительной мощности человеческого мозга действительно варьируются, и некоторые исследования предполагают, что она может достигать порядка 1 экзафлопса (то есть 10^{18} операций в секунду).
Это впечатляющая цифра, которая подчеркивает сложность и эффективность обработки информации в мозге.
Размер атомов:
Вы упомянули, что свет за секунду проходит расстояние, равное 2.14 * 10^{18} размеров атомов углерода. Атом углерода имеет размер порядка 0.1 нанометра (или \10^{-10} метра), что действительно позволяет получить представление о масштабах, в которых происходит взаимодействие на уровне молекул и атомов.
Связь сознания и размеров атомов: Математически, можно рассмотреть, что вычислительные процессы в мозге зависят от взаимодействий на уровне атомов и молекул, таких как белки и нейро-трансмиттеры.
Однако, это не означает, что сознание "привязано" исключительно к размерам атомов в прямом смысле. Сознание — это сложный феномен, который включает в себя не только физические процессы, но и множество других факторов, включая биохимию, нейрофизиологию и даже психологию.
Таким образом, можно сказать, что хотя вычислительные процессы мозга зависят от взаимодействий на уровне атомов и молекул, сознание как феномен не сводится лишь к этим взаимодействиям. Это более сложная система, которая требует междисциплинарного подхода для ее понимания
Это интересная тема, и она поднимает множество вопросов о природе сознания, информации и взаимодействий на уровне физики. Давайте рассмотрим несколько аспектов, связанных с этой идеей.
Скорость света и передача информации
Скорость света в вакууме составляет примерно 3 * 10^8 метров в секунду.
Это максимальная скорость, с которой может передаваться информация в нашей Вселенной.
В контексте работы мозга, нейронные сигналы передаются с помощью электрических импульсов, которые могут двигаться со скоростью от 1 до 120 метров в секунду, в зависимости от типа нейронов и их миелинизации.
Это значительно медленнее, чем скорость света, что ставит вопрос о том, насколько быстро мы можем обрабатывать и интегрировать информацию.
Вычислительная мощность и физические ограничения
Как вы упомянули, вычислительная мощность человеческого мозга может быть оценена в экзафлопсах. Однако эта мощность не является единственным фактором, определяющим скорость обработки информации.
Важную роль играют также физические ограничения, такие как задержки в передаче сигналов между нейронами и скорость химических реакций, происходящих в синапсах.
Атомы и молекулы в нейрофизиологии
Сознание и когнитивные процессы зависят от взаимодействий на уровне атомов и молекул. Например, нейро-трансмиттеры, которые передают сигналы между нейронами, состоят из атомов и молекул.
Эти взаимодействия могут влиять на скорость и эффективность передачи информации в мозге.
Однако, несмотря на эту зависимость, сознание не сводится к простым физическим взаимодействиям. Это более сложный процесс, включающий в себя аспекты психологии, восприятия и опыта.
Существует философский вопрос о том, как физические процессы в мозге связаны с субъективным опытом. Как физические взаимодействия могут порождать сознание, эмоции и восприятие? Это приводит к концепциям, таким как "философия ума", где обсуждаются различные теории, включая радикальный физикализм, дуализм и панпсихизм.
Хотя можно рассматривать связь между скоростью обработки информации в мозге, скоростью света и взаимодействиями на уровне атомов, важно помнить, что сознание — это многоуровневый феномен, который не может быть полностью объяснен только физическими процессами. Это требует комплексного подхода, включающего нейробиологию, психологию и философию.
Также сознание привязано к циклу 10-11 лет что очевидно как то связано
с циклами активности Солнца
Так - исследование этих взаимосвязей может помочь углубить наше понимание сознания и его природы.
Математическая модель сознания:
Научные исследования о сознании и его математической модели всё ещё находятся на стадии активного изучения.
Некоторые теории, такие как теория интегрированной информации (IIT), пытаются формализовать, как сознание может быть связано с информационными процессами.
Таким образом, хотя можно провести параллели между вычислительными процессами и физическими свойствами материи, это не означает, что наше сознание строго ограничено размерами атомов или молекул.
Это скорее вопрос о том, как различные уровни организации и взаимодействия приводят к возникновению сознания
однако сделать такую реальную рабочую модель пока ещё не удаётся ввиду того что алгоритмы работы мозга очень сложны
детальная математическая модель нейрона или группы нейронов подразумевает порядка миллиарда дифференциальных уравнений что сделать кажется нереально сложно ..
каждый нейрон имеет в среднем 10 тысяч связей и более
и передает по ним 200-1000 импульсов всего за одну секунду..
с учетом того что мы имеем порядка 90 млрд нейронов
да и сами нейроны сложно устроены
то понять всю эту нейронную сеть мы пока никак не можем
и всё дело не в том что у нас нет нужных компьютерных мощностей
- мощностей этих более чем достаточно ..
проблема заключена в алгоритмах и многомерной математики многослойных нейронных связей ..
Для достижения производительности примерно один экзофлопс потребуется:
Около 5 суперкомпьютеров уровня Summit.
Около 100 000 мощных персональных компьютеров
( по 10 терафлопс )
Около 666 670 современных смартфонов.
( по 1,5 терафлопс )
Так что дело только за математиками и программистами
Для создания модели мозга железо у нас уже есть -
но кажется что программисты пока что не понимают как такую сеть заставить работать подобно нейронам мозга человека
**
поиск - https://yandex.ru/search/?text=как+свет+влияет+на+клетки+нейронов+и+их+работу
Свет влияет на клетки нейронов и их работу через активацию или торможение активности. Это происходит благодаря наличию светочувствительных белков — родопсинов, которые регулируют передачу нервных импульсов. biomolecula.rupdfs.semanticscholar.orgnkj.ru
Роль света в передаче нервных импульсов
Активация нейронов. Свет запускает возбуждение клетки, когда родопсин переносит ионы (заряженные частицы) через мембрану. Это приводит к деполяризации — изменению мембранного потенциала, что вызывает возбуждение нейрона и готовность передать сигнал остальным клеткам в сети. biomolecula.runkj.ru
Торможение активности. Другие родопсины, например галородопсин и археародопсин, блокируют передачу импульса, выкачивая ионы из клетки или закачивая в неё отрицательные заряды. biomolecula.rupdfs.semanticscholar.org
Влияние различных длин волн света
Некоторые родопсины реагируют на свет с разной длиной волны, что позволяет одновременно управлять разными группами нейронов. Например, короткие импульсы синего света (470 нм) вызывают генерацию потенциалов действия, а длительный импульс жёлтого света (560 нм) угнетает активность. nkj.rupdfs.semanticscholar.org
Примеры исследований
Оптогенетические эксперименты. Учёные используют светочувствительные белки, например каналородопсин, чтобы управлять активностью нейронов. Например, в экспериментах на мышах показывают, что с помощью света можно избирательно воздействовать на определённые нейроны за миллисекунды. biomolecula.ruknife.media
Изучение реакции нейронов на свет в сетчатке глаза. Показано, что одна и та же клетка по-разному реагирует на разные длины волн — одни её возбуждают, другие — тормозят. nkj.ruebbinghaus.ru
Перспективы дальнейшего изучения
Разработка методов лечения заболеваний. Оптогенетика, использование света для стимуляции или торможения нейронов, может применяться при лечении неврологических заболеваний и психопатологий.
Восстановление зрения. Учёные исследуют возможность оптогенетического протезирования дегенеративной сетчатки.