Плесень думает по схеме

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 и 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. Притом 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. Неясно, 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.