Лекция № 5. Макромолекула как нейронная сеть

Выше была рассмотрена аналогия, которую можно установить между распределением некомпенсированных (или частично компенсированных) зарядов, существующих на поверхности и нейронной сетью Хопфилда. Аналогия может показаться спорной, а точнее сугубо формальной, так как возможности настройки «весов», характеризующих обратные связи между аналогами нейронов в такой сети, весьма ограничены. Хотя и существует возможность регулировать потенциалы взаимодействия между зарядами на поверхности (т.е. аналогами нейронов), нельзя, скажем, сделать так, чтобы величины , относящиеся к двум близко расположенным зарядам, существенно отличались друг от друга. Иначе говоря, параметры, задающие вид потенциального взаимодействия между зарядами на поверхности, рассмотренной выше, могут изменяться только достаточно плавно.

Намного большими степенями свободы в данном отношении обладает макромолекула, несущая электростатический заряд, т.е. полиион. Покажем это. Рисунок 7.1 построен по аналогии с рисунком 6.1б из предыдущего параграфа. Так же как и в рассмотренном выше случае, аналогами весов, характеризующих нейронную сеть Хопфилда, является характеристика взаимодействия между зарядами [1, 2].

Рисунок 5.1 - Макромолекула как аналог нейронной сети Хопфилда

Однако, полиион обладает различными конформациями, упрощенно говоря, он может изгибаться, формируя макромолекулярный клубок. Поэтому возможности для изменения весов более широки. Взаимодействие между -тым и -тым зарядами вполне может оказаться намного более слабым, нежели между -тым и -тым, если полиион образует соответствующую петлю, как это и показано на рисунке 4.1.

Проводимая аналогия тоже может показаться некоторой условностью, так как «петли», которыми характеризуется конфигурация полииона, непрерывно формируются и разрушаются снова из-за теплового движения, т.е. аналоги весовых коэффициентов случайным образом изменяются во времени. Однако, существуют объекты, в которых указанные петли в той или иной мере фиксированы. А именно, существуют многочисленные примеры комплексов, формируемых полиэлектролитами с участием малых молекул, причем число связей, приходящихся на одну молекулу, может быть равно двум и более. Такие малые молекулы, очевидно, способны играть роль мостиков, фиксирующих положение звеньев друг относительно друга, а, следовательно, и веса нейронной сети. Функциональные группы этих молекул или звеньев самой цепи могут обладать различной восприимчивостью к внешним воздействиям (излучение оптического или ультрафиолетового диапазона, температура, жесткое ионизирующее излучение, электрический ток и т.д.). Поэтому каждая такая молекула или соответствующая функциональная группа самой цепи может рассматриваться как элемент, воспринимающий внешний сигнал, причем восприимчивость является регулируемой величиной. Это и обеспечивает возможность перестройки весовых коэффициентов.

При этом необходимо подчеркнуть, что для рассматриваемой системы влияние зарядов друг на друга действительно составляет петлю обратной связи, поскольку конкретный заряд (точнее, плотность заряда) на определенном участке поверхности определяется суммарным полем. Такое влияние характерно, в частности, практически для всех типов полиионов, поведение которых определяется гидрофобно-гидрофильным балансом. Силы растяжения, приложенные к отдельному фрагменту макромолекулярной цепи, определяются именно локальным значением поля, но состояние указанного фрагмента зависит не только от них, но и от гидрофобных взаимодействий, которые, как правило, определяют сжатие цепи. В качестве выхода нейронной сети могут рассматриваться, например, локальные значения параметров, характеризующих состояния раствора (диэлектрическая проницаемость, показатель мутности среды и т.д.).

Таким образом, аналогия между нейронной сетью и отдельной макромолекулой является достаточно полной. Ниже рассматривается, как ею можно воспользоваться для качественной интерпретации внешних воздействий на состояние физико-химической системы. Количественная интерпретация, разумеется, требует разработки последовательной теории.

С качественной точки зрения вода и водные растворы, по-видимому, также могут рассматриваться по аналогии с нейронной сетью из-за существования льдоподобной структуры, образованной водородными связями. Этот вопрос, конечно, заслуживает отдельного подробного рассмотрения, однако именно с этих позиций уже на данном этапе можно пояснить, почему сверхмалые концентрации некоторых веществ могут оказываться существенное (в том числе и лечебное) воздействие на организм.

Таким образом, использование аналогий между нейронной сетью и физико-химическими системами может оказаться плодотворным для оснований гелиобиологии. Кроме того, дальнейшее изучение данного вопроса имеет значение для работ в области нанопроцессорной техники, так как нечеткая адресация позволяет существенным образом пересмотреть подходы к записи информации в структуры молекулярного уровня организации.