Идентификатор конференции: 845 6341 0573 Код доступа: 188015 

 

Доклад посвящён физико-химическому анализу функционирования нейросистемы человека на молекулярном уровне. Современные фундаментальные основы, обеспечивающие понимание молекулярных основ интеллекта, включают:

● знание структуры большинства белков нейросистемы с атомарным разрешением;

● развитие вычислительных возможностей, включая суперкомпьютерные технологии, компьютерный анализ систем дифференциальных уравнений;

● ЯМР-спектроскопию мозга и функциональную магнитно-резонансную томографию;

● развитие химической кинетики как методической основы исследования механизмов биопроцессов.

Базисом работы являются экспериментальные исследования динамики химических реакций непосредственно в нейронных сетях человека, при этом кинетика недетектируемых агентов в большинстве случаев может быть вычислена.

На основе анализа физиологических ответов нейронных сетей на экзогенные «‎химические агенты» (ингибиторы и активаторы памяти, обучения, концентрации внимания) показано, что механизм памяти (запись, хранение, считывание информации) лежит в механизме функционирования ацетилхолиновых и глутаматных синапсов (суммарно около 80% всех синаптических контактов мозга). Кинетическому моделированию динамики ответов этих классов синапсов посвящена существенная часть исследования.
Ключевым химическим агентом нейронов является N-ацетиласпарагиновая кислота (NAA). Экспериментально исследованы явление BOLD (интенсификация введения кислорода в зону возбуждения) и динамика ответа концентрации NAA на зрительное и (или) когнитивное возбуждение. Молекулярный механизм действия ряда ферментов нейросетей (ацетилхолинэстераза, NAA гидролаза, глатуматкарбоксипептидаза II и др.) детально проанализированы использованием методологии молекулярной и квантовой механики на основе суперкомпьютерных технологий. Получены профили свободной энергии по координате реакции и приведены оценки констант скоростей всех элементарных стадий.
Экспериментально исследована кинетика BOLD-эффекта и разработана кинетическая модель процесса. Основываясь на положении, что ацетилхолиновые и глутаматные нейронные системы ответственны за память и процессы обучения, проведено кинетическое моделирование функционирования синаптических контактов этих нейронных сетей. Рассмотрены механизмы регуляции проводимости синапса по принципу “открыт–закрыт” и показан протонный механизм записи информации. Механизм базируется на зависимости активности ацетилхолинэстеразы синаптического контакта от концентрации ионов водорода как продукта гидролиза ацетилхолина. Протонирование имидазольной группы активного центра фермента блокирует каталитическую активность фермента и обеспечивает проводимость синапса (передачу возбуждения от одного нейрона другому).

Кинетическое моделирование глутаматных синапсов (возбуждающие синапсы нейропроцессов) обеспечило понимание молекулярной природы BOLD-эффекта.
Инициирование возбуждения можно рассмотреть как механизм инициирования считывания информации.
На уровне анализа системы нейронных контактов рассмотрен механизм формирования «‎нейрообраза» и «‎трека проводимости» как основных элементов записи и считывания информации.
Рассмотрены химические агенты (лекарства, компоненты продуктов питания) как стимуляторы когнитивных функций. По механизму действия – это ингибиторы ацетилхолинэстеразы (холинергический синапс) и глутаматкарбоксипептидазы II (глутаматный синапс). Для идентификации ингибиторов глутаматкарбоксипептидазы II проведен скрининг методами докинга в активном центре фермента всех лекарств различной направленности, одобренных FDA (около 6000 соединений). Найдено около 20 разрешённых и используемых лекарственных препаратов – потенциальных стимуляторов
когнитивных функций.
Анализируются дефекты в механизмах функционирования синаптических контактов как причина нейропатологий (шизофрения, болезнь Кэнаван). Молекулярная основа заболеваний – генетические дефекты функционирования ферментов.
Рассмотрены возможности нейроинженерии – перспективы управления нейропроцессами внешним электромагнитным полем. Продемонстрированы методы введения в организм эффективных магнитоуправляемых частиц (гексаферрит бария), конструирование структур в нейросистеме под действием внешнего магнита и магнитно-гипнотический эффект – управление поведением животного внешним магнитным полем.
Обсуждаются возможные молекулярные механизмы явления.

Варфоломеев Сергей Дмитриевич Член-корреспондент РАН,  доктор химических наук, профессор Научный руководитель Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН Директор Института физико-химических основ функционирования сетей нейронов и искусственного интеллекта, химический факультет  МГУ им. М.В. Ломоносова