Между химией и электроникой несомненно существуют глубокие физические связи но факт остается фактом: клеточная среда представляет собой радикально иную вычислительную подложку, чем кремний. Хотя это различие может сделать ячейки непригодными для вычислительных задач, традиционно выполняемых обычными компьютерами, оно также может предоставить возможности для изучения более нетрадиционных моделей вычислений. Помимо генной регуляции, которая была полезна для разработки биологических логических схем, в естественных системах существует ряд процессов и особенностей, которые могут предложить вычислительные возможности. Здесь мы выделяем четыре таких ресурса как перспективные с точки зрения их возможностей обработки информации (Рисунок 1) [10].
Обычные кремниевые компьютеры являются фундаментальными реализациями детерминированной, централизованной и цифровой модели вычислений, и они превосходят вычислительные задачи, которые легко описываются такими моделями. В отличие от этого, клеточные вычисления были оптимизированы на протяжении миллиардов лет эволюции для выполнения очень разных вычислительных задач, и мы вряд ли найдем клеточное превосходство в таких приложениях, как дискретная математика, отправка электронной почты или чтение документов. Однако компьютерная наука разработала модели, в которых природа вычислений сильно отличается от природы машины [10].
Качественные различия между клеточными и обычными вычислениями предполагают, что такие приложения, как терраформирование и интеллектуальное производство материалов, могут оставаться вне досягаемости кремниевых компьютеров, но, напротив, стратегии для обоих приложений, основанные на живых технологиях, уже были предложены. Принимая идею клеточного превосходства, мы, естественно, признаем богатство и мощь живых систем. А уступив определенную степень контроля биологии, мы все же можем открыть гораздо более широкий спектр применений и перспектив обработки информации в природе [10].
Рисунок 2 Систематический подход «сетевого атласа» находит все 3-узловые приемные сети, которые реагируют на градиент морфогена отправителя, создавая центральную полосу [11]
Искусственная стимуляция нервной системы для передачи информации Теория информации обеспечивает количественную основу для анализа этих процессов и применяется для изучения естественных генетических, ферментативных и нейронных сетей. Последние достижения в области синтетической биологии предоставляют нам множество искусственных систем S-R, давая нам количественный контроль над сетями с конечным числом хорошо охарактеризованных компонентов. Сочетание этих двух подходов может помочь предсказать, как максимизировать надежность сигнализации, и позволит нам создавать все более сложные биологические компьютеры. В конечном счете расширение границ синтетической биологии потребует выхода за рамки проектирования потока информации и создания более сложных схем, интерпретирующих биологический смысл [11].
Границы синтетических S-R систем становятся все более разнообразными с появлением новейших систем, сочетающих межклеточную коммуникацию и легированное образование амилоидных волокон. Коммуникационные системы соединяются с самосборными электропроводящими наносистемами, что приводит к конвергенции биологии, электроники и вычислений (Рисунок 2) [11].
Синтетическая биология строит системы, чтобы понять их. Синтетические S-R системы не являются исключением, потенциально давая представление о таких разнообразных процессах, как пространственно-временные паттерны, клеточные вычисления с помощью сигналов и неврологические вычисления. Более того, применение теории информации ставит биологическую коммуникацию на количественную основу, обеспечивая объективное понимание того, как клеточные системы обрабатывают сигналы. Такой анализ может изменить наши представления о функционировании реальных биологических систем, таких как нейроны в головном мозге [11].
Выходя за рамки количественной оценки информации, остаются ключевые качественные вопросы о том, как «смысл» передается вместе с информацией. Синтетическая биология может спроектировать надежную передачу информации, но как такие системы будут кодировать или обрабатывать значения более высокого порядка, такие как разница между «я должен» и «я хочу»? Очевидно, что теория информации играет определенную роль в расширении наших инженерных возможностей, нам также необходимо разработать функциональную философию смысла [11].
Геронтологические и гериатрические компоненты медико-социального сопровождения к активному здоровому долголетию
долголетие геронтологический гериатрический нейротехнология
Краеугольный камень самооценки H. sapiens для самоактуализации и самореализации личности -- это, самооткрытие, саморазвитие, самообладание, самореализация. Нейропластичность -- это внутреннее свойство и перепрограммирование мозга на протяжении всей его жизнедеятельности. Комбинированные и гибридные методы нейровизуализации в содружестве с технологиями искусственного интеллекта, позволяют понять и диагностировать неврологические расстройства и найти новые методы нейрореабилитации и медико-социального сопровождения, которые приведут к улучшению психического здоровья [3].
Головной мозг содержит 1012 (миллион миллионов) клеток и нейрон получает информацию от сотен или тысяч других клеток и в свою очередь передает информацию сотням или тысячам нейронов. Общее число соединений в мозгу, составлять приблизительно 1014-1015.
Мозг H. sapiens и окружающий мир: первичное событие состоит в фокусировке света на сетчатке каждого глаза. Сетчатка содержит 125 миллионов рецепторов, называемых палочками и колбочками; это нервные клетки, специализированные таким образом, чтобы генерировать электрические сигналы при попадании на них света. Задача остальной части сетчатки и самого мозга -- использовать эти сигналы, чтобы извлечь биологически полезную информацию. Результатом будет зрительная сцена в том виде, как мы ее воспринимаем, со всей сложностью форм, глубины, движения, цвета и текстуры. Мы хотим узнать, каким образом мозг решает эту сложнейшую задачу.
Глаз, коленчатое тело и кора, например, формируются независимо друг от друга; по мере их созревания растущие из них аксоны должны делать выбор из множества альтернатив. Волокно зрительного нерва должно прорасти через сетчатку к слепому пятну, затем пройти в составе зрительного нерва к хиазме и принять здесь решение о том, следует ли переходить на противоположную сторону; затем оно должно проследовать к наружному коленчатому телу выбранной стороны, подойти к нужному слою (или к области, которая позднее превратится в нужный слой), а затем в точности к нужной части этого слоя так, что полученная в результате топография станет надлежащим образом упорядоченной; и наконец, оно должно разветвиться, причем веточки должны подойти к надлежащим частям клетки коленчатого тела -- к ее телу или к дендриту.
H. sapiens brain получает более 75% всей информации об окружающем мире с помощью зрения. Он обеспечивает восприятие света, его цветовой гаммы и ощущение пространства. Благодаря тому что орган зрения является парным и подвижным, зрительные образы воспринимаются объемно, т е. не только по площади, но и по глубине. Свет, попадая на сетчатку, инициирует каскад химических и электрических событий, которые в конечном итоге вызывают нервные импульсы, которые направляются в различные зрительные центры головного мозга через волокна зрительного нерва. Нервные сигналы от палочек и колбочек подвергаются обработке другими нейронами, выход которых принимает форму потенциалов действия в ганглиозных клетках сетчатки, аксоны которых образуют зрительный нерв, посредством зрительного восприятия до ретинального кодирования и обработки характеристик света. Взаимосвязь между тканью головного мозга и тканью глаза является областью интенсивного интереса для офтальмологов, неврологов и гериатров. Мозг играет решающую роль в восприятии визуальной информации, которую собирает глаз H. sapiens, для формирования ее в аналитическую картину. Исследования показывают, что болезни и состояния головного мозга могут также влиять на глаза, потому что зрительный нерв и сетчатка на самом деле являются мозговой тканью, которая простирается за пределы головного мозга. Болезнь Альцгеймера и деменция, которые вызваны повреждением клеток головного мозга, оказывают влияние на сетчатку.
Исследования, проведенные за последние несколько десятилетий, показали, что в нашем организме развился набор механизмов, называемых циркадными часами, которые внутренне управляют ритмами почти в каждой клетке. На деятельность циркадных часов влияют различные сигналы в клетках. Нарушение нормальных суточных циркадных ритмов связано с большей подверженностью расстройствам настроения, таким как тяжелая депрессия и биполярное расстройство в течение всей жизни. Эти нарушения внутренних часов организма, характеризующиеся повышенной активностью в периоды отдыха и / или бездействия в течение дня, а также связаны с нестабильностью настроения, более субъективным одиночеством, более низким уровнем счастья и удовлетворенности здоровьем, а также ухудшением когнитивных функций [3].
Циркадианный стресс вызывает нарушение сна и нейропсихиатрические расстройства с предполагаемой высокой распространенностью циркадной дисрегуляции.
В исследованиях [4], циркадианные нарушения сна-бодрствования и хроническое циркадное рассогласование, часто наблюдаемые при психиатрических и нейродегенеративных заболеваниях, могут быть эффективными в нейрореабилитации когнитивных нарушений. Биоэлектромагнитизм света и нейронные сети мозга -- это, адаптация и оптимизация условий внешнего и внутреннего освещения (тип, характер, длительность) для улучшения работы когнитивного мозга. Мозг H. sapiens работает в 24часовой биоэлектромагнитной среде. Свет является самым сильным синхронизирующим сигналом для циркадной системы, и поэтому сохраняет большинство биологических и психологических ритмов внутренне синхронизированными, что важно для оптимальной работы мозга H. sapiens.
Благотворное влияние на циркадианную синхронизацию, качества сна, настроение и когнитивные показатели зависят от времени, интенсивности и спектрального состава светового воздействия. Мультидисциплинарное и мультимодальное взаимодействие в триаде «мозг-глаза-сосуды» позволяет выявить ранние биомаркеры как общего ускоренного и патологического старения, так и своевременно диагностировать нейродегенерацию, и провести эффективную нейрореабилитацию когнитивных нарушений. Контроль и лечение сосудистых факторов риска и эндокринных нарушений позволяет снизить распространенность длительной нетрудоспособности населения [5].
В зрительной системе человека можно выделить следующие уровни обработки сигналов. На периферии находится сетчатка. В ходе развития нервной системы сетчатка закладывается на самых ранних этапах развития (так называемые «глазные пузыри»). Поэтому есть все основания считать сетчатку «частью мозга, вынесенного на периферию». Следующий уровень обработки зрительной информации находится в таламусе -- это наружное коленчатое тело. Аксоны нейронов наружного коленчатого тела проецируются в кору затылочного полюса больших полушарий (поля 17, 18, 19). Высший этап обработки зрительных сигналов происходит в ассоциативных полях коры больших полушарий.
Зрительный анализатор -- аналогово-цифровой преобразователь головного мозга. Преобразование информации в сетчатке глаза осуществляется как самим фоторецептором, так и разветвленной сетью нейронов. Кодирование аналогового сигнала на выходе из фоторецептора в цифровой код, является, по-видимому, одной из основных функций нейронной сети сетчатки. Нейроны сетчатки выполняют строго определенные функции: сравнение аналоговых сигналов, генерация тактовой частоты, цифро-аналоговое преобразование, счет импульсов. В тоже время горизонтальные нейроны сетчатки осуществляют и другие важные функции, например, контрастирование зрительного образа. Горизонтальные нейроны вовлечены в работу аналого-цифрового преобразователя сетчатки глаза.
В исследованиях Н. П. Романчук, В. Ф. Пятина показано как проводится комбинированное лечебно-профилактическое воздействие, направленное на повышение уровня циркулирования мелатонина в крови организма человека [12]. При этом в 18-00 ч в течение 15 мин проводят занятие на тренажере Power Plate в течение 15 мин в 18-00 ч. Тренинг проводят в режиме: частота колебания виброплатформы -- 30 Гц, длительность одного упражнения 30 с, амплитуда смещения платформы 2 мм, сила тяжести 1,83 G, импульсное ускорение 18,00 м/с2. Затем в 18 часов 30 мин употребляют продукт питания «Самарский здоровяк» от 60 г/сут до 90 г/сут, который назначают по составу в зависимости от заболевания человека. С 19-00 ч до 20-00 ч носят очки, выполненные с функцией излучения светового потока в области линз с длиной волны от 480±5 нм до 490±10 нм. Лечебно-профилактические сеансы проводят один раз в день с 18-00 ч до 20-00 ч. Длительность курса 1 месяц, 3 раза в год в осенний, зимний и весенний периоды. Способ позволяет более эффективно нормализовать циркадианные ритмы человека, что достигается за счет комплексного воздействия на гуморальные и гормональные циркадианные колебания человека, функциональными продуктами питания, физической нагрузкой и регулированием светового дня. Уменьшение амплитуды и периода продолжительности циркадианных ритмов, увеличение вариабельности колебаний физиологических процессов в течение одного суточного цикла способствуют дестабилизации ежедневных ритмичных колебаний. Нарушение циркадианных ритмов приводит к изменению суточного профиля физической активности, нарушению ночного сна, повышенной дневной сонливости и изменению других физиологических функций.
Внедрение результатов исследования Н. П. Романчук, позволяет восстановить функционирование циркадианной системы человека, нормализовать уровень и концентрацию мелатонина в организме [2], осуществлять регуляцию процессов сна и бодрствования, управлять нейропластичностью, проводить профилактику когнитивных нарушений, активировать собственные циркадианные ритмы и их синхронизацию с окружающей средой, через использование мультимодальной схемы повышения циркадианного уровня гормона мелатонина в крови человека: циркадианные очки, функциональное питание и физическая активность.