В начале 1970-х годов было показано, что некоторые нейромедиаторы, такие как серотонин, орадреналин, дофамин, действуют в нервной системе по механизму, совершенно отличному от быстрой синаптической передачи. Американский биохимик Пол Грингард (Paul Greengard) установил, что эти медиаторы не просто изменяют мембранный потенциал, а на глубоком уровне влияют на обмен веществ в самом нейроне, приводя к длительным изменениям в способности синапсов проводить сигналы. Это явление было названо непрямой (или медленной) синаптической передачей, ответственной за такие сложные свойства нервной системы, как эмоции и память. Эффекты, связанные с медленной передачей, получили название метаботропные. Позднее американский физиолог Эрик Кендел (Eric Kandel), тоже выбравший в качестве объекта исследований морского зайца, установил ключевые стадии формирования кратковременной и долговременной памяти по механизму медленной синаптической передачи. Оказалось, что при относительно слабом входящем стимуле метаботропные медиаторы, проникая в постсинаптический нейрон, вызывают изменение структуры белковых ионных каналов, тем самым изменяя восприимчивость нейронов к импульсам и эффективность передачи сигнала синапсами. Эти структурные изменения могут сохраняться довольно долго (от нескольких минут до нескольких дней). Так формируется кратковременная память. По прошествии некоторого времени каналы могут снова принять первоначальную форму, и слабый стимул, вызвавший их, будет "забыт". Если стимул сильный, то нейромедиатор через каскад биохимических реакций дает сигнал ядру нейрона запустить синтез новых белков, под действием которых может меняться структура самого синапса (например, увеличивается площадь синаптического контакта) или начаться рост новых отростков для формирования дополнительных межнейронных связей. Такие изменения структуры могут сохраняться до конца жизни организма, являясь материальным носителем его долговременной памяти. Медленная синаптическая передача выполняет модулирующую функцию, она прокладывает новые пути для распространения сигналов быстрой передачи.
Некоторые из них остаются "тропинками", другие превращаются в "скоростные шоссе". В 2000 году Грингард и Кендел совместно со шведским фармакологом Арвидом Карлсоном (Arvid Carlsson) были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в первую очередь за открытие и исследование медленной синаптической передачи.
Интересно, что ключевые стадии формирования памяти примерно одинаковы у различных организмов. Поэтому механизмы, установленные на примере моллюсков, могут быть с высокой степенью достоверности перенесены и на млекопитающих, в том числе на человека. Кроме того, нервная система моллюсков достаточно проста, чтобы приблизиться к пониманию взаимодействия ее частей и формирования памяти (условных рефлексов).
Так, центральная нервная система морского зайца состоит всего из 20 тысяч нервных клеток, причем некоторые из них можно увидеть невооруженным глазом (для сравнения, головной мозг человека содержит около 100 млрд. нейронов, каждый из которых в среднем образует 10 тысяч синапсов с другими нейронами).
Именно этим объясняется интерес нейробиологов к аплизии. Моллюск многие годы является одним из основных объектов нейробиологических исследований (например, группа Глэнзмана "верна" аплизии уже четверть века).
Исследуя биохимические глубины процесса запоминания у морского зайца, калифорнийские ученые наткнулись на доселе неизвестное явление. Оказалось, что присоединение серотонина к постсинаптическому нейрону вызывает в последнем увеличение содержания ионов кальция. Затем эти ионы выделяются в синаптическую щель и мигрируют обратно к пресинаптической нервной клетке. Там ионы запускают процесс синтеза белков, которые также принимают участие в регулировании долговременного изменения структуры синапсов и образования новых связей.
Таким образом, Глэнзман с сотрудниками открыли обратную передачу сигнала от принимающего нейрона к передающему, происходящую в ответ на прямой нейромедиаторный сигнал. То есть, согласно результатам этого исследования, чтобы запустить вышеописанные процессы формирования долговременной памяти, мало дать "классический" прямой сигнал, нужно еще дождаться ответа в виде потока ионов кальция. Зачем нужна эта дополнительная стадия? По мнению Глэнзмана, такой механизм предотвращает долговременные изменения синапсов по "неуважительной" причине, то есть играет роль своеобразного фильтра, отсеивающего внешние стимулы, "недостойные" быть зафиксированными механизмом долговременной памяти. Обратный кальциевый сигнал — это своего рода подтверждение о запуске синтеза молекулярных структур, необходимых для сохранения информации в долговременной памяти — так мозг выбирает из всего потока важную информацию.
Пока не ясно, все ли метаботропные нейромедиаторы вызывают обратный сигнал или только серотонин. Неизвестен в деталях и механизм включения синтеза белка ионами кальция в пресинаптической клетке: по данным лаборатории UCLA, такое явление наблюдается впервые. Чтобы ответить на эти вопросы, сейчас активно ведутся исследования. Но ответы, скорее всего, приведут к новым вопросам, и так снова и снова… Во всяком случае, за более чем вековую историю изучения химической передачи сигналов в нервной системе до сих пор именно так и было.
Результаты исследований калифорнийских биологов опубликованы на сайте журнала Current Biology. Будем надеяться, что итоги работы группы американских ученых войдут в долговременную память научного сообщества.
Прикладная криптология
Прикладная криптологияАвтор: Киви Берд
Опубликовано в журнале "Компьютерра" N25-26 от 08 июля 2008 года
Криптология, как многие наверняка наслышаны, занимается не только шифрами и методами их вскрытия, но и множеством других проблем, так или иначе связанных с защитой и восстановлением информации. Поэтому нередки случаи, когда в реальных задачах прикладной криптологии собственно до анализа и вскрытия шифров дело вообще не доходит, но конкретные результаты все равно достигаются. Два примера из текущих ИТ-новостей наглядно демонстрируют этот на первый взгляд парадоксальный факт.
Первый сюжет связан с чрезвычайно актуальной и широко обсуждаемой ныне темой "сетевого нейтралитета" и роли компаний, обеспечивающих работоспособность сетевой инфраструктуры. Вправе ли они контролировать содержимое проходящего по каналам трафика, и если да, то до какой степени? Не дожидаясь итога этих дискуссий, многие интернет-провайдеры уже сегодня втихаря занимаются инспекцией пакетов и принудительным сужением (или "дросселированием") каналов для некоторых видов трафика, в первую очередь — для распространенных P2P-протоколов обмена файлами. Естественной реакцией на это со стороны пиринговых сетей стало шифрование пакетов.
Понятно, что сеанс зашифрованной связи просто так уже не проинспектируешь. Но вот недавно в Сети было опубликовано любопытное исследование[www.ing.unibs.it/~gringoli/ pub/PID578397b.pdf.], емонстрирующее программный инструмент, с помощью которого провайдеры могли бы целенаправленно блокировать или ограничивать шифрованный трафик своих абонентов, даже не имея возможности проанализировать защищенные данные.
Авторы работы, итальянские исследователи из Университета Брешии, нашли способ "слепой" классификации с точностью до 90% того типа трафика, что сокрыт в шифрованных пакетах сеансов SSH-соединений. Такой выдающийся результат достигнут с помощью алгоритма автоматического анализа, сопоставляющего размеры пакетов и интервалы между их доставкой. А собственно содержимое пакетов программу анализа совершенно не интересует.
Второй сюжет посвящен роли криптологии в аспектах, связанных с интернет-телефонией. Постоянно растущая популярность VoIP-технологий диктует необходимость поиска все более эффективных методов компрессии речи. Перспективное и сравнительно новое здесь направление (впрочем, хорошо известное любителям цифровой музыки) — сжатие с переменным битрейтом, при котором размер пакетов данных существенно варьируется. Происходит это потому, что для длинных и сложных гласных звуков частота отсчетов делается высокой, а для простых согласных частота сэмплирования заметно ниже.