(Но вы не под тем фонарём ответы ищете).
Когда-то в детстве был такой анекдот: преподаватель спрашивает у студента:
- А теперь расскажите, как работает трансформатор.
Студент задумался, а потом уверенно изобразил: «Б-з-з-з-з…»
Вот так же у нас сегодня проходит обсуждение проблем болезни Альцгеймера.
В Америке ежегодно умирает от Альцгеймера 150 тыс (больных). В Украине 20 тыс (больше чем на войне). В Израиле 5 тыс (столько же ежегодно умирало от Короны, но тогда вся страна стояла на ушах). В Америке и в Израиле (и во всём мире) обсуждение проблем Альцгеймера сводится к обсуждению «как правильно помогать больным прожить оставшиеся дни», по-английски это называется «caregiving». На это уходят все силы и средства. Но так это не может и не должно продолжаться. В этой статье представлена попытка найти выход из этой ситуации.
Амик Диамант
Английский вариант статьи приведён в
https://www.researchgate.net/publication/362134490_
Аннотация:
Болезнь Альцгеймера (БА) представляет собой опасное дегенеративное заболевание центральной нервной системы, часто встречающееся у пожилых людей старше 65 лет. Сегодня в мире насчитывается 55 млн. человек, поражённых БА. Ожидается, что к 2030 г их будет 78 млн, а к 2050 году 139 млн. В связи с высокой частотой и тяжестью заболевания, БА становится существенной медицинской и социально-экономической проблемой в современном мире. Огромные финансовые ресурсы выделяются бюджетами разных стран для решения проблем, сопровождающих стремительное распространение БА. Поскольку причины возникновения и распространения БА не известны, важная роль при этом отводится научным исследованиям механизмов и путей развития БА.
Я не врач, не микробиолог, не исследователь БА. Я инженер, когда-то занимавшийся проблемами Компьютерного зрения, Роботики и Искусственного интеллекта. И, в связи с этим, как-то связанный с проблемами работы человеческого мозга. Этим объясняется мой сегодняшний интерес к проблемам БА. Рассматривая доступную мне литературу по анализу механизмов развития и распространения БА, я был крайне удивлён тем, что среди множества механизмов развития и распространения БА, изучением которых заняты сегодня масса исследовательских центров в США и во всём мире, информационные механизмы, механизмы обмена и обработки информации в нейронных сетях человеческого мозга не рассматриваются вообще, и даже не упоминаются (в этих исследованиях). А ведь человеческий мозг – это, прежде всего, центр хранения и переработки информации! Как такой прокол (игнорирование информационных аспектов работы мозга) возможен? В предложенной ниже записке, я попытался изложить мой взгляд на возможное применение информационных моделей к проблемам анализа и понимания причин возникновения и развития БА.
1. Введение.
Деменция — это общий термин, принятый для обозначения широкого спектра заболеваний головного мозга, вызывающих снижение когнитивных способностей человека (сознания, мышления, памяти, и других форм функциональной деятельности). БА есть одна из форм Деменции, наиболее распространённая форма – на болезнь Альцгеймера приходится 80% случаев деменции, [1].
Болезнь Альцгеймера (БА) – это необратимое прогрессирующее заболевание головного мозга, сопровождающееся нарушением основных когнитивных функций и способностей человека (память, мышление, внимание, ориентирование, и др.).
Болезнь Альцгеймера в наши дни является одним из самых тяжёлых и распространённых заболеваний. Сегодня в мире число поражённых БА оценивается в 55 млн. человек. Ожидается, что к 2030 г это число возрастёт до 78 миллионов, а к 2050 году до 139 миллионов, [2].
Болезнь Альцгеймера сегодня – это неизлечимое заболевание со смертельным исходом. В среднем человек с болезнью Альцгеймера живёт от 4 до 8 лет после постановки диагноза, [1].
Официальные свидетельства о смерти зафиксировали 121 499 смертей от AD в 2019 году, последнем году, за который имеются данные, [3].
В связи с высокой частотой и тяжестью заболевания болезнь Альцгеймера становится серьёзной медицинской и социально-экономической проблемой в современном мире, и её значение будет неуклонно возрастать по мере старения населения. Стремительное распространение болезни Альцгеймера становится предметом забот и печалей для правительств и государственных учреждений многих развитых стран, для их медицинских организаций, и для просто широкой общественности. В США, финансовые расходы, прямо связанные с болезнью Альцгеймера, составили в 2021 г 321 млрд долларов. А непрямые расходы, (связанные с уходом за больными в домашних условиях), оцениваются в 272 млрд. [3]. Суммарные расходы (321 + 272 = 593 млрд) сравнимы с расходами США на военные и оборонные нужды – 731,75 млрд в бюджете 2019 г. [4].
Хотя болезнь Альцгеймера была открыта и описана ещё в 1906 г, учёные даже сегодня ещё не до конца понимают причины возникновения и пути её развития.Сегодня БА находится в авангарде биомедицинских исследований.
Бюджет одной из крупнейших организаций, финансирующих научные исследования и изучение болезни Альцгеймера, (американской National Institutes of Health), в 2017 году составил $1,4 млрд (общий бюджет NIH в 2022 г $45 млрд, [5]).
Для лучшего понимания того, что вызывает деменцию и каковы её основные механизмы, большое количество научных исследований направлены на разработку моделей заболевания (прямые исследования мозга людей запрещены). Модели разрабатываются на основе биологических механизмов, взятых из различных областей знаний, например, генетика, молекулярные, нейронные и поведенческие процессы.
Крайне удивительно, что механизмы обработки информации никогда не упоминаются в этом контексте. Общепринято, что мозг занят обработкой информации. Взаимодействие человека с окружающим миром сводится к обработке информации в мозгу человека, его когнитивные способности связаны с его способностью обрабатывать информацию. Тогда в чем же причина такой неожиданной оплошности?
Возможный ответ может быть таким: исследовательское сообщество избегает использования понятия «обработка информации», потому что никто в сообществе не имеет понятия, что такое «информация». Сегодня это утверждение не совсем верно, потому что уже несколько лет существуют мои публикации, определяющие, что такое «информация» и что такое «обработка информации»! ([6], [7]).
И я готов поделиться этими «пониманиями» со всеми, кто готов это слушать и мотать на ус.
2. Что такое информация?
Понятие «информации» было впервые введено Шенноном в его основополагающей статье 1948 года «Математическая теория коммуникации». Первоначальная цель теории состояла в том, чтобы решить чисто техническую проблему: повысить производительность системы связи. Поэтому учитывались только физические свойства сигнала и канала. При этом смысл передаваемого сообщения, его семантические особенности полностью игнорировались.
Однако в биологии, как и во многих других современных науках, смысловые аспекты сообщения имеют первостепенное значение. В связи с этим возрастает потребность в чётком и однозначном разграничении шенноновских и семантических областей информации.
В соответствии с духом и смыслом этих потребностей я решил принять для себя Колмогоровский подход к определению информации. Причины и последствия этого шага (моё собственное, новое определение информации) я в разное время и по разным поводам уже публиковал ранее – заинтересованные читатели могут просмотреть и проанализировать эти публикации, найдя их в прилагаемом ниже списке литературы ([7], [8], [9]).
Для целей этой публикации я буду использовать некоторые расширенные выдержки из этих более ранних публикаций. Мои читатели должны помнить, что из-за многолетнего опыта работы в области компьютерного зрения мои объяснения (написанные в определённые моменты моей истории) основаны на привычках и практиках обработки изображений. Однако я не вижу в этом никакого изъяна — надеюсь, мои читатели достаточно сообразительны, чтобы обобщить парадигмы обработки изображений на более общие случаи.
Итак, воодушевлённое Колмогоровским подходом к информации ([9]), моё определение информации сегодня звучит так:
«Информация — это лингвистическое описание структур, видимых в заданном массиве данных».
Чтобы сделать изучение этого нового определения информации более ощутимым, я предлагаю рассматривать цифровое изображение в качестве заданного набора данных. Цифровое изображение представляет собой двумерный набор элементарных данных, называемых элементами изображения или пикселями (picture elements). В изображении пиксели распределены не хаотично, а в силу сходства их физических параметров естественным образом группируются в какие-то кластеры или группки. Я предлагаю называть эти кластеры первичными или физическими структурами данных.
В глазах постороннего наблюдателя эти первичные структуры данных в дальнейшем организуются в более крупные и сложные агломерации, которые я предлагаю называть вторичными структурами данных.
Эти вторичные структуры отражают взгляд наблюдателя на группировку первичных структур данных, и поэтому их можно назвать значимыми или семантическими структурами данных.
В то время как формирование первичных (физических) структур данных определяется объективными (природными, физическими) свойствами данных, последующее формирование вторичных (семантических) структур данных является субъективным процессом, управляемым условностями и привычками наблюдателя.
Как было сказано, описание структур, наблюдаемых в наборе данных, должно называться «Информация». В связи с этим необходимо различать два типа информации – физическую информацию и семантическую информацию.
Обе они являются языковыми описаниями; однако физическая информация может быть описана с помощью самых разных языков (напомним, что математика — это тоже язык), а семантическая информация может быть описана только с помощью естественного языка наблюдателя. (Подробнее на эту тему вы можете найти в [8]).
Те, кто заглянет в [8], обнаружат, что каждое информационное описание представляет собой развивающуюся сверху вниз иерархию описаний от грубого к более подробному, представляющую различные уровни сложности описания (различные уровни детализации описания). Физическая информационная иерархия расположена на самом нижнем уровне семантической иерархии. Процесс интерпретации сенсорных данных материализуется как процесс извлечения физической информации из входных данных с последующей попыткой связать эту физическую информацию о входных данных с физической информацией, уже хранящейся на низшем уровне семантической иерархии (в памяти системы). Если такая ассоциация достигается, входная физическая информация становится связанной (через физическую информацию, сохраняемую в системе) с релевантным лингвистическим термином, со словом, которое помещает физическую информацию в контекст фразы, которая обеспечивает её семантическую интерпретацию. Таким образом, входная физическая информация именуется соответствующей лингвистической меткой и оформляется в подходящую языковую фразу (и далее – в рассказ, повествование, нарратив), придающую входной физической информации желаемый смысл.
Важным следствием приведённого выше определения информации является понимание того, что информационные описания всегда материализуются как набор слов, фрагмент текста, нарратив. В связи с этим следует сделать важное примечание – данные текстовые последовательности записываются буквами нуклеотидов и знаками аминокислот. Это превращает информацию в физическую сущность, в «вещь», с её весом, длиной и другими физическими параметрами. Для целей нашего обсуждения это чрезвычайно важное замечание.
Имея в виду эти новые определения информации, мы можем перейти к рассмотрению других проблем обработки информации в мозгу человека.
3. Информационный поток и обработка информации мозгом.
Общепризнано и общепринято, что человеческий мозг является исключительно мощным устройством обработки информации. Запрос Google Chrome на “Brain information processing” возвращает 62 000 результатов — достаточно, чтобы подтвердить справедливость утверждения, что «Мозг обрабатывает информацию».
В одной из своих ранних публикаций я посвящаю этому вопросу специальную главу [8]. Поэтому для экономии времени и места мне кажется разумным повторить здесь лишь некоторые избранные фрагменты этой статьи.
Итак: Мозг обрабатывает информацию. Нейроны являются функциональными единицами, которые выполняют эту работу. Несмотря на свою дискретную структуру, нейроны не являются отдельными функциональными единицами — успешная обработка информации требует тесного сотрудничества между партнёрами. По этой причине нейроны объединены в сеть, в которой они общаются друг с другом, передавая, обмениваясь, перенося — одним словом, совместно обрабатывая информацию. Этот переход информации между взаимосвязанными (на разных уровнях организации) нейронами получил даже специальное фирменное наименование “Neural Information Flow” («Нейронный информационный поток») и стал предметом пристального изучения и исследования.
С точки зрения межнейронной связи нейроны можно рассматривать как цепочку, в которой две последовательные единицы соединены посредством синаптического контакта. Каждый отдельный нейрон состоит из трёх составляющих его частей: дендритов (входная часть), тела клетки или сомы (основная часть) и аксона (выходная часть). Понимание функциональной роли этих нейронных частей и того, как через них проходит информация, было основной целью нейронауки на протяжении большей части прошлого века. Однако по некоторым причинам среди трёх частей, обеспечивающих поток информации через нейрон, именно часть аксона была наиболее полно исследована и изучена.
Несколько длинных абзацев (в цитируемой статье) посвящены теории распространения потенциалов действия аксонов (Action Potential propagation) — тому, как последовательности потенциалов действия кодируют и передают информацию в элементах нейронной сети головного мозга. Появление гипотезы молекулярных коммуникаций, предполагающей, что биоактивные молекулы (липиды, белки, различные РНК и даже ДНК) могут быть носителями информации в случае межнейронной коммуникации, сильно дестабилизирует и низвергает принцип распространения аксонного потенциала действия.
Общепринятая сегодня концепция нейронного информационного потока предполагает разные формы представления информации на разных участках цепи нейронного информационного потока. Во входной части (дендриты) преобладают химические нейротрансмиттеры и потоки электрических зарядов (ионов). Накопление электрического потенциала и эмиссия потенциала действия характерны для соматической части. Распространение потенциала действия в аксоне, а затем снова преобразование потенциала действия в химические везикулы (на терминальном конце аксона) перед выбросом в синаптическую щель между нейронами – все это множественные формы представления информации в одном-единственном нейроне.
Мне это кажется мало правдоподобным. Природа консервативна, трудно поверить, что на разных этапах одной единицы обработки информации (дендритный вход – сома – аксон – терминал аксона – синаптическая щель) одна часть пути реализуется как молекулярный грузовой пакет, а другая часть работает совершенно иначе, так, например, пакет аксонных спайков олицетворяет перенос информации в аксоне. Мне это кажется совершенно невероятным. Идея о том, что информация может быть закодирована в виде больших молекулярных структур (как это предполагается теорией молекулярно-биологической связи), кажется мне гораздо более разумной и приемлемой.
Таким образом, предлагаемая в этой статье мысль о том, что информация всегда (на всех этапах информационного потока) предстаёт собой материальные фрагменты текста (записанного буквами из нуклеотидов и аминокислот), и что именно в этом виде она подвергается изменениям (обрабатывается) на всех этапах обработки информации в информационном потоке, – это предположение кажется мне гораздо более разумным и правдоподобным объяснением того, что происходит с информацией в информационном потоке.
Имея все это в виду, мы можем теперь перейти к обсуждению основной части этой статьи – к обсуждению того, что все это значит для лучшего понимания процессов развития болезни Альцгеймера и способов её диагностики и лечения.
4. Болезнь Альцгеймера и проблемы обработки информации.
Первичная информация, извлечённая из потока сенсорных данных, которые поступили в мозг через органы чувств, подвергается дальнейшей обработке и преобразованиям на разных ступенях информационного потока. При этом (как это уже было описано в части 2) происходит последовательное укрупнение структур семантической информации (поступившей через дендриты от нейронов более низкого уровня) и создаются их новые описания, новые информационные структуры (более высокого уровня). Процесс этот происходит только тогда, когда для новых структур в системе имеются уже прототипы, которые хранятся в памяти системы, в памяти нейрона. А что, если в памяти нейрона нет прототипа, по которому из поступивших описаний (поступившей информации) можно было бы создать новую (более высокого уровня) структуру? В этом случае, процесс обработки информации (данным нейроном) прекращается, и на следующий уровень обработки ничего не поступает (прерывается поток информации, Information Flow).
Что же происходит (во всех, описанных выше, случаях) с информацией, поступившей до этого на вход нейрона? Да ничего не происходит. Вспомните, что происходит с вашим почтовым ящиком, когда вы по какой-то причине не вынимаете из него регулярно свою почту – ваш почтовый ящик быстро оказывается забитым и не функционирующим.
Чтобы поддерживать почтовый ящик в функциональном состоянии его нужно регулярно просматривать и очищать. Тоже должно происходить и с нейронами. И это вовсе не удивительно, что природа позаботилась о создании и воплощении такой возможности – постоянной и непрерывной чистке нейрона от неиспользованной информации, которая превращается в накапливающийся мусор. Для удаления этого мусора у клетки (у нейрона) есть специальный, генетически предусмотренный и генетически контролируемый, механизм – лизосомы и лизосомные функции. Может быть есть и другие, предназначенные для этой цели, механизмы – я этого не знаю, я не специалист по генетическим мусоро-убирающим машинам.
Но из доступной мне литературы, я знаю, что такое накопление «мусора» (не использованных и не переработанных для дальнейшей утилизации информационных текстовых блоков) происходит на всех участках информационного потока в каждом конкретном нейроне, в каждой конкретной части информационного потока – в дендритах, в соме, в аксоне [10]. В литературе описаны разрушение дендритных шипиков, вздутие аксонов, теснота и потеря мобильности функциональных элементов внутри сомы. В конце концов, неуправляемое накопление мусора приводит к дисфункции и гибели нейрона, [12].
Вот это-то мы и наблюдаем потом как дисфункцию нервной системы, которую мы называем «Деменцией». Поскольку разные области мозга имеют разное функциональное предназначение, дисфункция нейронов в этих областях проявляет себя по-разному. И потому мы имеем целый спектр деменций. Болезнь Альцгеймера лишь одна из них (хотя и наиболее часто встречающаяся). Однако, резюмируя всё только что сказанное, нужно подчеркнуть главное – основной причиной, первоисточником всех деменций является дисфункция и гибель нейронов (в разных областях мозга), обусловленная неуправляемым накоплением информационного «мусора» на разных участках потока информации в нейроне [11].
5. Послесловие.
Введение в обиход и повсеместное употребление понятий «информация», «информационный поток», «информационные отходы» (или «информационный мусор») сильно продвигает нас в понимании возможных путей борьбы и лечения болезни Альцгеймера (и, между прочим, всех прочих деменций). Как уже было сказано выше, все они имеют общую природу – неуправляемое накопление информационных отходов – а поэтому для всех их будет возможно одно лечение: прекращение накопления информационных отходов и ликвидация ранее накопленных отходов, их переработка и утилизация.
То, что это генетически управляемый процесс уже тоже известно. И какие гены отвечают за обработку мусора в соме – тоже известно. Какие гены отвечают за обработку мусора в дендритах и аксонах пока не известно – но никто, на самом деле, туда не смотрел и не искал там причины нарушений в процессах обработки и утилизации мусора.
Возможность управлять и исправлять работу этих генов тоже уже существует – она называется генной инженерией. Она уже известна, её возможности были недавно продемонстрированы успешной разработкой и внедрением прививки от COVID’a (смотрите Google «Генная инженерия прививки от COVID’a»).
Пока учёные ещё только собираются и учатся «чинить» гены, отвечающие за ликвидацию и утилизацию информационного мусора, некоторые возможности облегчения состояния пациентов, поражённых другими видами деменции, уже испытываются и внедряются. Правда, делается это интуитивно, без чёткого понимания что, почему, и зачем это делается. А на самом деле за их ещё первыми успехами стоит вот что:
Рассказы о том, что нейроны в мозгу умирают, а новые вместо них не появляются, – это сказки, ничего общего с действительностью не имеющие. Есть такое явление как «нейрогенез», и в мозгу рядом с мёртвыми нейронами появляются их новоявленные родственники. Есть, при этом, существенная разница между ними – у новых нейронов есть только генетическая память (память опыта наших предков), и нет эпигенетической памяти (памяти, которую мы себе наработали в течении нашей жизни), и на образцах которой строится обработка семантической информации у нас в мозгу. Поэтому, когда речь идёт о замещении нейронов низкого уровня функциональной деятельности, то может оказаться, что для их успешной деятельности какого-то минимума генетической информации вполне достаточно. (И поэтому уже есть сообщения о частичных успехах в лечении болезни Паркинсона – там речь идёт о функциях низкого уровня, почти бессознательных).
С болезнью Альцгеймера такое лечение (опирающееся на нейрогенез и частичную регенерацию эпигенетической информации) не проходит. БА поражает высшую нервную деятельность человека. Там без эпигенетической информации никак не справиться.
Но ничего страшного – ограниченный объём эпигенетической информации, касающейся ограниченного круга повседневной деятельности пациента, можно у этих нейронов выработать. На этом строятся все рекомендации American Academy of Neurology, опубликованные недавно (May 25, 2022) в онлайн-выпуске журнала Neurology, [13], и многих других рекомендациях (обычно, от трёх рекомендаций [14], до 40 рекомендаций [15]). Все они сводятся к регулярным (повторяющимся для лучшего запоминания и закрепления) ограниченной сложности действиям – регулярные пешеходные проходы, социальное общение и взаимодействие, когнитивные упражнения (чтение, кроссворды, пазлы). Всё это не лечение, всё это попытки затормозить гибель нейронов, создав их суррогатные частичные замены. Это может затормозить развитие болезни Альцгеймера. Но это не способ лечения или облегчения болезни..
Возможные пути лечения БА (путём генной инженерии испортившихся нейронов, той их части, которая отвечает за переработку и утилизацию «информационного мусора»), надеюсь, достаточно внятно изложены в этой статье.
References:
[1] The Alzheimer's Association, What is Alzheimer’s Disease?
https://www.alz.org/alzheimers-dementia/what-is-alzheimers?ext=.
[2] World Health Organization (WHO), 2021 report on Dementia.
https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/dementia
[3] Alzheimer's association report, 2022 Alzheimer's disease facts and figures,
First published: 14 March 2022 (https://doi.org/10.1002/alz.12638)
https://alz-journals.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/alz.12638
[4] Wikipedia, U.S. Military Spending/Defense Budget for 2019
U.S. Military Spending/Defense Budget 1960-2022 | MacroTrends
[5] NIH-funded studies reveal credible estimates for Alzheimer’s-like brain disorder
prevalence, Media Advisory, Monday, June 13, 2022
https://www.nih.gov/news-events/news-releases/nih-funded-studies-reveal-credible-estimates-
[6] Emanuel Diamant, "Modeling human-like intelligent image processing: An information
processing perspective and approach", Signal Processing: Image Communication, vol. 22,
issue 6, pp. 583-590, July 2007. http://www.vidia-mant.info
[7] Emanuel Diamant, "Unveiling the mystery of visual information processing in human
brain", Brain Research, vol. 1225, pp. 171-178, 15 Aug. 2008.
[8] Emanuel Diamant, The brain is processing information, not data: Does anybody knows
about that? https://www.academia.edu/22348231/The_brain_is_processing_information
[9] Emanuel Diamant, "Shannon's definition of information is obsolete and inadequate. It is
time to embrace Kolmogorov’s insights on the matter", 2016 ICSEE International
Conference on the Science of Electrical Engineering- Eilat, Israel.
https://www.researchgate.net/publication/311223095
[10] W Guo, et al, Axonal transport defects and neurodegeneration: Molecular mechanisms
and therapeutic implications, Elsevier, Seminars in cell & developmental biology, 2020,
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31542222/
[11] Elena Vicario-Orri, et al, The Pathophysiology of Axonal Transport in Alzheimer’s
Disease, Research Gate,
The-Pathophysiology-of-Axonal-Transport-in-Alzheimers-Disease.pdf (researchgate.net)
[12] W Guo, et al, Axonal transport defects and neurodegeneration: Molecular mechanisms
and therapeutic implications, Elsevier, Seminars in cell & developmental biology, 2020,
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31542222/
[13] American Academy of Neurology, Seven healthy habits linked to lower risk of dementia in those with genetic risk, published May 25, 2022,
https://www.sciencedaily.com/releases/2022/05/220525163821.htm
[14] Evaluating the Latest Alzheimer's Disease Prevention Research, Preventing Alzheimer's
Disease: What Do We Know?
https://www.nia.nih.gov/health/preventing-alzheimers-disease-what-do-we-know
[15] Sarah Crow, 40 Habits to Reduce Your Risk of Dementia After 40, September 2, 2020
https://bestlifeonline.com/alzheimers-risk/
Эммануэль (Амик) Диамант
Пенсионер, Кирьят Оно, Израиль
