Метод построения запоминающих устройств со сверхвысокой плотностью записи информации
Разработан метод построения запоминающих устройств со сверхвысокой плотностью записи информации на основе использования принципов работы молекулярных систем нейрона и его ядерных компонентов — ДНК и РНК. Предложена модель передачи импульсов между синапсами нейронов и структурами нейронов в процессе...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Кибернетика и системный анализ |
|---|---|
| Дата: | 2019 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
2019
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/180880 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Метод построения запоминающих устройств со сверхвысокой плотностью записи информации / Н.И. Ходаковский // Кибернетика и системный анализ. — 2019. — Т. 56, № 3. — С. 173-181. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-180880 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Ходаковский, Н.И. 2021-10-23T17:27:31Z 2021-10-23T17:27:31Z 2019 Метод построения запоминающих устройств со сверхвысокой плотностью записи информации / Н.И. Ходаковский // Кибернетика и системный анализ. — 2019. — Т. 56, № 3. — С. 173-181. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 1019-5262 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/180880 004.82 Разработан метод построения запоминающих устройств со сверхвысокой плотностью записи информации на основе использования принципов работы молекулярных систем нейрона и его ядерных компонентов — ДНК и РНК. Предложена модель передачи импульсов между синапсами нейронов и структурами нейронов в процессе изменения порога чувствительности нейрона в зависимости от величины тока. Предложенные устройства могут быть использованы как запоминающие модули наноразмерных сенсоров. Розроблено метод побудови запам’ятовувальних пристроїв з надвисокою щільністю запису інформації на основі використання принципів роботи молекулярних систем нейрона та його ядерних компонентів — ДНК і РНК. Запропоновано модель передачі імпульсів між синапсами і структурами нейронів у процесі зміни порога чутливості нейрона в залежності від величини струму. Запропоновані пристрої можуть бути використані як запам’ятовувальні модулі для нанорозмірних сенсорів.. A method is developed to construct memory devices with an ultrahigh density of information recording based on the principles of operation of the neuron molecular systems and its nuclear components, DNA and RNA. A model of impulse transfer between synapses and neuron structures during variation in the neuron sensitivity threshold as a function of current is proposed. The proposed devices can be used as memory modules in nanoscale sensors ru Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України Кибернетика и системный анализ Нові засоби кібернетики, інформатики, обчислювальної техніки та системного аналізу Метод построения запоминающих устройств со сверхвысокой плотностью записи информации Метод побудови запам’ятовувальних пристроїв з надвисокою щільністю запису інформації The method of constructing memory devices with ultrahigh density of information recording / Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Метод построения запоминающих устройств со сверхвысокой плотностью записи информации |
| spellingShingle |
Метод построения запоминающих устройств со сверхвысокой плотностью записи информации Ходаковский, Н.И. Нові засоби кібернетики, інформатики, обчислювальної техніки та системного аналізу |
| title_short |
Метод построения запоминающих устройств со сверхвысокой плотностью записи информации |
| title_full |
Метод построения запоминающих устройств со сверхвысокой плотностью записи информации |
| title_fullStr |
Метод построения запоминающих устройств со сверхвысокой плотностью записи информации |
| title_full_unstemmed |
Метод построения запоминающих устройств со сверхвысокой плотностью записи информации |
| title_sort |
метод построения запоминающих устройств со сверхвысокой плотностью записи информации |
| author |
Ходаковский, Н.И. |
| author_facet |
Ходаковский, Н.И. |
| topic |
Нові засоби кібернетики, інформатики, обчислювальної техніки та системного аналізу |
| topic_facet |
Нові засоби кібернетики, інформатики, обчислювальної техніки та системного аналізу |
| publishDate |
2019 |
| language |
Russian |
| container_title |
Кибернетика и системный анализ |
| publisher |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Метод побудови запам’ятовувальних пристроїв з надвисокою щільністю запису інформації The method of constructing memory devices with ultrahigh density of information recording / |
| description |
Разработан метод построения запоминающих устройств со сверхвысокой плотностью записи информации на основе использования принципов работы молекулярных систем нейрона и его ядерных компонентов — ДНК и РНК. Предложена модель передачи импульсов между синапсами нейронов и структурами нейронов в процессе изменения порога чувствительности нейрона в зависимости от величины тока. Предложенные устройства могут быть использованы как запоминающие модули наноразмерных сенсоров.
Розроблено метод побудови запам’ятовувальних пристроїв з надвисокою щільністю запису інформації на основі використання принципів роботи молекулярних систем нейрона та його ядерних компонентів — ДНК і РНК. Запропоновано модель передачі імпульсів між синапсами і структурами нейронів у процесі зміни порога чутливості нейрона в залежності від величини струму. Запропоновані пристрої можуть бути використані як запам’ятовувальні модулі для нанорозмірних сенсорів..
A method is developed to construct memory devices with an ultrahigh density of information recording based on the principles of operation of the neuron molecular systems and its nuclear components, DNA and RNA. A model of impulse transfer between synapses and neuron structures during variation in the neuron sensitivity threshold as a function of current is proposed. The proposed devices can be used as memory modules in nanoscale sensors
|
| issn |
1019-5262 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/180880 |
| citation_txt |
Метод построения запоминающих устройств со сверхвысокой плотностью записи информации / Н.И. Ходаковский // Кибернетика и системный анализ. — 2019. — Т. 56, № 3. — С. 173-181. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT hodakovskiini metodpostroeniâzapominaûŝihustroistvsosverhvysokoiplotnostʹûzapisiinformacii AT hodakovskiini metodpobudovizapamâtovuvalʹnihpristroívznadvisokoûŝílʹnístûzapisuínformacíí AT hodakovskiini themethodofconstructingmemorydeviceswithultrahighdensityofinformationrecording |
| first_indexed |
2025-11-25T16:25:27Z |
| last_indexed |
2025-11-25T16:25:27Z |
| _version_ |
1850518009306677248 |
| fulltext |
ÓÄÊ 004.82
Í.È. ÕÎÄÀÊÎÂÑÊÈÉ
ÌÅÒÎÄ ÏÎÑÒÐÎÅÍÈß ÇÀÏÎÌÈÍÀÞÙÈÕ ÓÑÒÐÎÉÑÒÂ
ÑÎ ÑÂÅÐÕÂÛÑÎÊÎÉ ÏËÎÒÍÎÑÒÜÞ ÇÀÏÈÑÈ ÈÍÔÎÐÌÀÖÈÈ
Àííîòàöèÿ. Ðàçðàáîòàí ìåòîä ïîñòðîåíèÿ çàïîìèíàþùèõ óñòðîéñòâ ñî
ñâåðõâûñîêîé ïëîòíîñòüþ çàïèñè èíôîðìàöèè íà îñíîâå èñïîëüçîâàíèÿ
ïðèíöèïîâ ðàáîòû ìîëåêóëÿðíûõ ñèñòåì íåéðîíà è åãî ÿäåðíûõ êîìïîíåí-
òîâ — ÄÍÊ è ÐÍÊ. Ïðåäëîæåíà ìîäåëü ïåðåäà÷è èìïóëüñîâ ìåæäó ñèíàï-
ñàìè è ñòðóêòóðàìè íåéðîíîâ â ïðîöåññå èçìåíåíèÿ ïîðîãà ÷óâñòâèòåëüíîñ-
òè íåéðîíà â çàâèñèìîñòè îò âåëè÷èíû òîêà. Òàêèå óñòðîéñòâà ìîãóò èñ-
ïîëüçîâàòüñÿ êàê çàïîìèíàþùèå ìîäóëè íàíîðàçìåðíûõ ñåíñîðîâ.
Êëþ÷åâûå ñëîâà: ñâåðõâûñîêàÿ ïëîòíîñòü çàïèñè èíôîðìàöèè, ìîäåëü
ïåðåäà÷è èìïóëüñîâ ìåæäó ñèíàïñàìè è ñòðóêòóðàìè íåéðîíîâ; çàïèñü èí-
ôîðìàöèè íà îðãàíè÷åñêèõ íîñèòåëÿõ.
Èññëåäîâàíèÿ â òàêèõ íàïðàâëåíèÿõ íàíîòåõíîëîãèé, êàê ñîçäàíèå íîâûõ ìà-
òåðèàëîâ, íàíîðàçìåðíûõ ñåíñîðîâ, íàíîðîáîòîâ äëÿ «àäðåñíîé äîñòàâêè» ëå-
êàðñòâåííûõ ïðåïàðàòîâ, òðåáóþò ñîîòâåòñòâóþùåé èíôîðìàöèîííîé ïîääåð-
æêè â âèäå íàíîýëåêòðîííûõ çàïîìèíàþùèõ óñòðîéñòâ. Âñå ïðîöåññû, îáåñïå-
÷èâàþùèå æèçíåäåÿòåëüíîñòü îðãàíèçìà ÷åëîâåêà, ïðîèñõîäÿò âñëåäñòâèå
èåðàðõè÷åñêîé ïåðåäà÷è èíôîðìàöèè. Îäíèì èç âàæíûõ çâåíüåâ òàêîé èåðàð-
õèè ÿâëÿåòñÿ ñèíòåç áåëêîâûõ ìîëåêóë â ìîëåêóëÿðíûõ êîìïëåêñàõ êëåòêè —
ðèáîñîìàõ. Âíóòðè êëåòîê ñ ïîìîùüþ ðèáîñîì ïîñòîÿííî ïåðåñûëàþòñÿ
«îöèôðîâàííûå èíñòðóêöèè» â âèäå ðèáîíóêëåèíîâîé êèñëîòû (ÐÍÊ) èëè
ìàòðè÷íîé ÐÍÊ (ìÐÍÊ), â ñîîòâåòñòâèè ñ êîòîðûìè ïðîèñõîäèò ôîðìèðîâà-
íèå áåëêîâ èç àìèíîêèñëîò. Ýòè ñëîæíûå ïðîöåññû îñóùåñòâëÿþòñÿ îáðàçîâà-
íèåì ïîñëåäîâàòåëüíîñòè òàê íàçûâàåìûõ êîíêàòåíàòîâ — êîìïëåêñîâ èç òî-
ïîëîãè÷åñêè ñâÿçàííûõ çàìêíóòûõ ìîëåêóë äåçîêñèðèáîíóêëåèíîâîé êèñëî-
òû (ÄÍÊ). Ðèáîñîìà — ýôôåêòèâíàÿ è íàäåæíàÿ «ìîëåêóëÿðíàÿ ìàøèíà»
ñ òî÷êè çðåíèÿ íàíîòåõíîëîãèé. Ýòà ñòðóêòóðà ðàçìåðîì 20 íì ñîäåðæèò äî
105 àòîìîâ è èíèöèèðóåò ïðîöåññ êîïèðîâàíèÿ è óñëîæíåíèÿ áèîëîãè÷åñêèõ
ñèñòåì. Â ñîîòâåòñòâèè ñ ìåõàíèçìîì ðîñòà áèîñèñòåì ïðîèñõîäèò íåïðåðûâíîå
ñ÷èòûâàíèå ïðîãðàìì ãåíåòè÷åñêîãî êîäà, çàëîæåííîãî â ÄÍÊ, êîòîðûé ïî
ìíîãî÷èñëåííûì êàíàëàì îáðàòíûõ ñâÿçåé âûçûâàåò ðîñò æèâûõ îðãàíèçìîâ.
Òàêèì îáðàçîì, íàíîòåõíîëîãàì ïðåäîñòàâëÿåòñÿ âîçìîæíîñòü èñïîëüçîâàòü
êîäû ÷óæèõ ñèñòåì è ñîäåðæàùóþñÿ â íèõ èíôîðìàöèþ.
Öåëü íàñòîÿùåé ðàáîòû — ñîçäàíèå çàïîìèíàþùèõ óñòðîéñòâ ñî ñâåðõâû-
ñîêîé ïëîòíîñòüþ çàïèñè èíôîðìàöèè íà îñíîâå èñïîëüçîâàíèÿ âîçìîæíîñòåé
íàíîýëåêòðîííûõ è ìîëåêóëÿðíûõ ñèñòåì íåéðîíà, à òàêæå åãî ÿäåðíûõ êîìïî-
íåíòîâ — ÄÍÊ è ÐÍÊ.
Àêòóàëüíîñòü ðàçðàáîòîê ýëåêòðîííîé êëåòêè. Ïðîöåññû óïðàâëåíèÿ
â êëåòêå, â ÷àñòíîñòè ïðè ôîðìèðîâàíèè çàïîìèíàþùèõ ñòðóêòóð, çàâèñÿò îò ðà-
áîòû ÿäåðíîãî êîìïëåêñà êëåòêè â ñîñòàâå ÄÍÊ è ÐÍÊ, êîòîðàÿ çàêëþ÷àåòñÿ
â ôóíêöèîíèðîâàíèè èõ ìîëåêóëÿðíûõ ôðàãìåíòîâ, ïðåäñòàâëÿþùèõ ãåííûå
ñòðóêòóðû. Ýòè ñòðóêòóðû, â ñâîþ î÷åðåäü, îðãàíèçóþòñÿ â ãåííûå ñåòè (ÃÑ),
à èìåííî ãðóïïû êîîðäèíèðîâàííûõ ôóíêöèîíàëüíûõ ãåíîâ, âçàèìîäåéñòâóþ-
ùèõ ÷åðåç ñâîè ïåðâè÷íûå ïðîäóêòû â âèäå ÐÍÊ, áåëêîâ è äðóãèõ ìåòàáîëèòîâ.
Ãåíû ïðåäñòàâëÿþò ó÷àñòêè íèòè ÄÍÊ, êîäèðóþùèå ïîñòðîåíèå è ðàáîòó áåë-
ISSN 1019-5262. Êèáåðíåòèêà è ñèñòåìíûé àíàëèç, 2019, òîì 55, ¹ 3 173
� Í.È. Õîäàêîâñêèé, 2019
êîâ. Áåëêè ÿâëÿþòñÿ ñòðîèòåëüíûìè è ôóíêöèîíàëüíûìè áëîêàìè êëåòîê è òêà-
íåé, à òàêæå ôåðìåíòîâ — ñòðóêòóð, óïðàâëÿþùèõ âñåìè âàæíûìè ïðîöåññàìè
â íåéðîíå, äðóãèõ êëåòêàõ è îðãàíèçìå â öåëîì. Òàêèì îáðàçîì, óïðàâëåíèå ðà-
áîòîé ÄÍÊ, ÐÍÊ, ôåðìåíòàìè è äðóãèìè áåëêàìè âûâåäåíî íà ÃÑ.
 ðàìêàõ íåïðåðûâíûõ è äèñêðåòíûõ ìîäåëåé âîçìîæåí ãèáðèäíûé ïîäõîä
ê ìîäåëèðîâàíèþ äèíàìèêè ÃÑ. Òàêóþ cåòü ðàçäåëÿþò íà äâå ïîäñèñòåìû. Ïåð-
âàÿ — ðåãóëÿòîðíàÿ, âêëþ÷àåò ñîâîêóïíîñòü ðåãóëÿòîðíûõ ãåíîâ è èõ ìàêðîìî-
ëåêóëû. Åå ñîñòîÿíèÿ ìîäåëèðóþòñÿ íà ÿçûêå äèñêðåòíûõ ìîäåëåé (íàïðèìåð,
ñ èñïîëüçîâàíèåì ïîðîãîâûõ ôóíêöèé); âòîðàÿ — èñïîëíÿþùàÿ, ñîäåðæèò ãåíû,
îáåñïå÷èâàþùèå âûïîëíåíèå ðàçëè÷íûõ áèîõèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ. Îíà ìîäå-
ëèðóåòñÿ ñèñòåìàìè äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé. Ïîäîáíûå ìîäåëè ïîçâîëÿ-
þò èññëåäîâàòü èåðàðõè÷åñêóþ ñõåìó îðãàíèçàöèè êëåòêè: ÄÍÊ–ÐÍÊ–áåëêè–ýí-
çèìû–ñåòè õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé–ôèçèîëîãèÿ êëåòêè. Êîíöåïöèÿ ÃÑ òàêæå äàåò
âîçìîæíîñòü âûñòðàèâàòü èåðàðõè÷åñêóþ ìîäåëü, â êîòîðîé ëîêàëüíûå ÃÑ áîëåå
íèçêîãî óðîâíÿ, ðåøàÿ ñâîè ÷àñòíûå çàäà÷è, îáìåíèâàþòñÿ ñèãíàëàìè è îáúåäè-
íÿþòñÿ â ñåòè áîëåå âûñîêîãî óðîâíÿ — äî ìîäåëè öåëîãî îðãàíèçìà [1].
Ôóíêöèîíèðîâàíèå ýëåìåíòà ÃÑ ïðè ìíîãîýòàïíîì ôîðìèðîâàíèè ðåãóëÿòîðíîãî
áåëêà ìîæíî ïðåäñòàâèòü ñ ïîìîùüþ äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé
dx
dt
A k x1
1 1� � ,
dx
dt
k xi
i i� � �1 1,
dx
dt
k x xn ng g
� � � . (1)
Çäåñü ng — êîëè÷åñòâî ïðîìåæóòî÷íûõ ñòàäèé ñèíòåçà áåëêà, x xi1, — êîí-
öåíòðàöèè ïðîìåæóòî÷íûõ ïðîäóêòîâ ñèíòåçà áåëêà, x — êîíöåíòðàöèÿ áåë-
êà, À — ñêîðîñòü èíèöèàöèè êîíñòèòóòèâíîãî ñèíòåçà, k k i1 1, � — ñêîðîñòè
ïåðåõîäà áåëêà èç ñîñòîÿíèÿ 1 â ( )i �1 -e ïðîìåæóòî÷íîå ñîñòîÿíèå, � — ñêî-
ðîñòü äåãðàäàöèè áåëêà.
Ãåííûå ñåòè ÿâëÿþòñÿ âàæíåéøèì ìåõàíèçìîì çàïèñè èíôîðìàöèè íà îñíî-
âå ïðîöåññîâ îáðàáîòêè èíôîðìàöèè â ÄÍÊ íåéðîíîâ. Äëÿ àíàëèçà èíôîðìàöèè
â ÄÍÊ ìîæíî èñïîëüçîâàòü ñåêâåíàòîð — óñòðîéñòâî äëÿ àâòîìàòèçèðîâàííîãî
ñ÷èòûâàíèÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòåé íóêëåîòèäîâ (ýëåìåíòîâ) â öåïè ÄÍÊ.  òàêîì
óñòðîéñòâå ïðåäóñìîòðåíà êîððåêöèÿ îøèáîê àâòîìàòèçèðîâàííîé ïîëèìåðàç-
íîé (ôåðìåíòíîé) öåïíîé ðåàêöèè ïðè àíàëèçå ýëåìåíòîâ öåïè ÄÍÊ. Ïîñëå êîð-
ðåêòèðîâêè îøèáîê ìàëûå ôðàãìåíòû ÄÍÊ-öåïåé ñ ïîìîùüþ «çåðêàëüíûõ» öå-
ïî÷åê è ÷òåíèÿ ñîåäèíÿþò â ìàññèâ äàííûõ â ñîîòâåòñòâèè ñ àäðåñíûìè ìåòêà-
ìè, íàíåñåííûìè íà óêàçàííûõ ôðàãìåíòàõ.
Äëÿ çàïèñè èíôîðìàöèè â ÄÍÊ ïðèìåíÿþò òîò æå ñïîñîá êîäèðîâàíèÿ, ÷òî
è äëÿ ïðåîáðàçîâàíèÿ èíôîðìàöèè ïåðåä çàãðóçêîé íà æåñòêèé äèñê. Îäíàêî
åñëè ïðè êîäèðîâàíèè äàííûõ äëÿ êîìïüþòåðà èñïîëüçóþòñÿ íóëè è åäèíèöû, òî
â ÄÍÊ çàäåéñòâîâàíû ÷åòûðå íóêëåîòèäà, ÿâëÿþùèõñÿ îñíîâîé äëÿ çàïèñè èí-
ôîðìàöèè. Êàæäîìó èç íèõ ñîîòâåòñòâóåò îïðåäåëåííàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü
êîìïîíåíòîâ, êîòîðûå ïîñðåäñòâîì õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé âûñòðàèâàþòñÿ â îïðå-
äåëåííîì ïîðÿäêå, îáðàçóÿ öåïü. Ïðè äåêîäèðîâàíèè äàííûõ ìîæíî èñïîëüçî-
âàòü îïòè÷åñêîå ñïåêòðîìåòðè÷åñêîå ñ÷èòûâàíèå ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ÄÍÊ.
Äîêàçàòåëüñòâîì ýôôåêòèâíîñòè ìîëåêóëÿðíûõ íîñèòåëåé äàííûõ ÿâëÿåòñÿ
ñîçäàíèå ÄÍÊ-äèñêîâ, ðàçìåùåííûõ â ñôåðàõ èç äèîêñèäà êðåìíèÿ, ãäå îíè ìî-
ãóò õðàíèòüñÿ ñîòíè ëåò [2].
Ïðîöåññû ïðåîáðàçîâàíèÿ öèôðîâûõ äàííûõ â ïîñëåäîâàòåëüíîñòü
íóêëåîòèäîâ ÄÍÊ. ÄÍÊ ñîäåðæèò ÷åòûðå òèïà íóêëåîòèäîâ: àäåíèí (A), öèòî-
çèí (Ñ), ãóàíèí (G) è òèìèí (T). Íèòü ÄÍÊ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé èõ ëèíåéíóþ ïî-
ñëåäîâàòåëüíîñòü. Òàêèì îáðàçîì, èìååòñÿ ÷åòûðå êîäîâûõ ñèìâîëà (A, C, G, T).
Î÷åâèäíûì ïîäõîäîì ê õðàíåíèþ äàííûõ ÿâëÿåòñÿ èõ êîäèðîâàíèå â ÷åòâåðè÷-
174 ISSN 1019-5262. Êèáåðíåòèêà è ñèñòåìíûé àíàëèç, 2019, òîì 55, ¹ 3
íîé ñèñòåìå ñ÷èñëåíèÿ: 0 � A, 1 � C, 2 � G, 3 � T. Çàìåòèì, ÷òî ñèíòåç è ñåêâåíèðî-
âàíèå öåïåé ÄÍÊ ïîäâåðæåíû îøèáêàì. Âåðîÿòíîñòü îøèáîê ìîæíî ñíèçèòü,
åñëè çàêîäèðîâàòü äâîè÷íóþ èíôîðìàöèþ íå â ÷åòâåðè÷íîé, à â ïðîìåæóòî÷íîé
òðîè÷íîé ñèñòåìå ñ÷èñëåíèÿ.
Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ïðîèçâîëüíîãî äîñòóïà ê äàííûì èñïîëüçóåòñÿ ïåðåâîä
êëþ÷åé â óíèêàëüíûå ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ïðàéìåðîâ. Ïðàéìåðû — ýòî êîðîòêèå
ñèíòåòè÷åñêèå íèòè ÄÍÊ, îïðåäåëÿþùèå íà÷àëî è êîíåö îáëàñòè, êîòîðóþ íåîá-
õîäèìî êîïèðîâàòü. Ïðàéìåðû îáåñïå÷èâàþò ïðîèçâîëüíûé äîñòóï ê öåïè ÄÍÊ
ñ ïîìîùüþ ïîëèìåðàçíîé öåïíîé ðåàêöèè, ãåíåðèðóþùåé ìíîæåñòâî êîïèé
ÄÍÊ. Öåïè êîíêðåòíîãî îáúåêòà èìåþò îáùèé ïðàéìåð, à ðàçíûå öåïè ñ îäíèì è
òåì æå ïðàéìåðîì — ñâîè àäðåñà. Êîíòðîëèðóÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòè, èñïîëü-
çóåìûå êàê ïðàéìåðû äëÿ ïîëèìåðàçíîé öåïíîé ðåàêöèè, ìîæíî îïðåäåëÿòü,
êàêèå íèòè áóäóò êîïèðîâàòüñÿ.
Ñèñòåìà õðàíåíèÿ äàííûõ íà áàçå ÄÍÊ. Ñèñòåìà õðàíåíèÿ äàííûõ ñ èñ-
ïîëüçîâàíèåì ÄÍÊ ñîñòîèò èç ñèíòåçàòîðà ÄÍÊ, êîäèðóþùåãî äàííûå, êîíòåé-
íåðà äëÿ èõ õðàíåíèÿ è ñåêâåíàòîðà ÄÍÊ, ñ÷èòûâàþùåãî ïîñëåäîâàòåëüíîñòè
ÄÍÊ è òðàíñëèðóþùåãî èõ îáðàòíî â «öèôðó». Ïðîöåññ ñ÷èòûâàíèÿ è çàïèñè
äàííûõ â êðàòêîé ôîðìå ïðèâåäåí íà ðèñ. 1.
Ñîõðàíåíèå äàííûõ â ÄÍÊ ïðîõîäèò â òðè ýòàïà: ïðåîáðàçîâàíèå öèôðîâûõ
äàííûõ â ïîñëåäîâàòåëüíîñòü íóêëåîòèäîâ ÄÍÊ, ñèíòåç ìîëåêóë ÄÍÊ è íå-
ïîñðåäñòâåííî õðàíåíèå äàííûõ.
Ôîðìèðîâàíèå äîëãîâðåìåííîé ïàìÿòè. Ñîãëàñíî ýêñïåðèìåíòàëüíûì
äàííûì [3–5] äîëãîâðåìåííàÿ ïàìÿòü ìîæåò áûòü ðåçóëüòàòîì âîçíèêíîâåíèÿ
íîâûõ ñèíàïñîâ, êîòîðûå, â ñâîþ î÷åðåäü, ôèêñèðóþòñÿ ïî îáðàòíîé ñâÿçè
â ÄÍÊ [5]. Èçáèðàòåëüíàÿ ýëåêòðè÷åñêàÿ àêòèâàöèÿ îïðåäåëåííîé íåéðîííîé
ñåòè îáåñïå÷èâàåò êðàòêîâðåìåííîå çàïîìèíàíèå. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ äîëãîâðåìåí-
íîé ïàìÿòè ìíîãîêðàòíàÿ ýëåêòðè÷åñêàÿ àêòèâíîñòü â íåéðîííûõ öåïÿõ âûçûâà-
åò õèìè÷åñêèå èëè ñòðóêòóðíûå èçìåíåíèÿ â ñàìèõ íåéðîíàõ, ÷òî ïðèâîäèò
ê âîçíèêíîâåíèþ íîâûõ íåéðîííûõ öåïåé.
Èíñòðóêöèè äëÿ ñèíòåçà áåëêà, ïåðåíîñèìûå ìîëåêóëîé ÐÍÊ, ïðåäñòàâëÿþò
ñîáîé ñïåöèôè÷åñêèå ïîñëåäîâàòåëüíîñòè îðãàíè÷åñêèõ îñíîâàíèé, ïðèñîåäèíåí-
íûõ ê îñòîâó ìîëåêóëû. Ýòè îñíîâàíèÿ ÿâëÿþòñÿ ìàòðèöàìè äëÿ ñèíòåçà áåëêîâ.
ISSN 1019-5262. Êèáåðíåòèêà è ñèñòåìíûé àíàëèç, 2019, òîì 55, ¹ 3 175
Áëîê
õðàíåíèÿ
ïðàéìåðîâ
Ïðèñâîåíèå
êîäîâ
ïðàéìåðàì
Êëþ÷è
êîäèðîâàíèÿ
ïðàéìåðîâ
Áëîê õðàíåíèÿ
öèôðîâûõ
áèíàðíûõ êîäîâ
Áëîê ìîäóëåé
ïàìÿòè
íà ÄÍÊ
Ñòðóêòóðû
ïîëèìåðàç
Ñèíòåç
ÄÍÊ-ïîñëåäîâà-
òåëüíîñòåé
Ôîðìèðîâàíèå
íåîáõîäèìûõ
ïðàéìåðîâ
Êîäèðîâàíèå
ôðàãìåíòîâ
ïðàéìåðîâ
Ïåðåâîä
öèôðîâîãî êîäà
â íóêëåîòèäíûé
Ðèñ. 1. Ñõåìà ïðåîáðàçîâàíèÿ öèôðîâûõ äàííûõ â ïîñëåäîâàòåëüíîñòü íóêëåîòèäîâ ÄÍÊ
Çàïîìèíàíèå â ñòðóêòóðàõ ìîçãà ÷åëîâåêà ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ïðîöåññ,
ñâÿçàííûé ñ ñèíòåçîì áåëêà, àêòèâèðóþùåãî íåéðîííûå öåïî÷êè [6–8]. Àðõèòåêòóðó
òàêîé ñõåìû îïðåäåëÿþò ãåíû — ó÷àñòêè öåïè ìîëåêóëû ÄÍÊ â ñîñòàâå ÃÑ.
Êîãäà íåîáõîäèìî èçâëå÷ü èç ïàìÿòè êàêóþ-ëèáî èíôîðìàöèþ ñ çàôèêñèðî-
âàííûì ïðè çàïîìèíàíèè àäðåñîì, àêòèâèðóåòñÿ íåéðîííàÿ ñåòü. Êàæäàÿ íîâàÿ
ïîðöèÿ èíôîðìàöèè ñðàâíèìà ñ áèòîì — ìèíèìàëüíîé åäèíèöåé êîëè÷åñòâà èí-
ôîðìàöèè, ðàâíûì îäíîìó èç äâóõ ñîñòîÿíèé (0 èëè 1). Êàæäûé íîâûé áèò èí-
ôîðìàöèè èçìåíÿåò ñîñòîÿíèå áåëêà, à ñëåäóþùèå ïîðöèè-áèòû ñðàâíèâàþòñÿ
ñ ñóùåñòâóþùèìè áåëêàìè: íóæíàÿ èíôîðìàöèÿ âñïîìèíàåòñÿ, åñëè ïðîèñõîäèò
ñîâïàäåíèå.
Ïðîöåññ çàïîìèíàíèÿ âàæíîé èíôîðìàöèè â äîëãîâðåìåííîé ïàìÿòè öåí-
òðàëüíîé íåðâíîé ñèñòåìû ÷åëîâåêà ñîãëàñíî [3, 4] ñîäåðæèò ýòàï «çàêðåïëåíèÿ»
ãåíàìè ïîëó÷åííîé èíôîðìàöèè. Çàïîìèíàíèå ïðîèñõîäèò ñ ó÷àñòèåì ãåíîâ, êî-
òîðûå çàïèñûâàþòñÿ â âèäå «áèòîâûõ» ïîñëåäîâàòåëüíîñòåé íà öåïè ìîëåêóë ÄÍÊ.
 ïðîöåññàõ ôîðìèðîâàíèÿ ïàìÿòè èñïîëüçóþòñÿ 1010 íåéðîíîâ è ñâÿçåé
ìåæäó íèìè. Âñå ñèñòåìû ìîçãà âàæíû äëÿ ïàìÿòè, íî êëþ÷åâûì ìåõàíèçìîì
ÿâëÿåòñÿ èçìåíåíèå â ñèíàïñàõ — ìåñòàõ êîíòàêòà ìåæäó äâóìÿ íåéðîíàìè. Íà-
ëè÷èå ýòèõ ìèêðîñêîïè÷åñêèõ êîíòàêòíûõ ïëîùàäîê ïîçâîëÿåò îòðîñòêàì
îäíîãî íåéðîíà ñîåäèíÿòüñÿ ñ îòðîñòêàìè äðóãîãî.
Ìîäåëèðîâàíèå ïðîâîäèìîñòè ñèíàïòè÷åñêîé êîíòàêòíîé ïëîùàäêè —
âàæíûé ýòàï â èçó÷åíèè ïðîöåññîâ îáðàáîòêè èíôîðìàöèè â íåéðîíå. Íà
îñíîâå ìåõàíèçìîâ ðàáîòû ìåìáðàííûõ îáîëî÷åê íåéðîíà è ñèíàïñà ïîñòðîåíà
òîïîëîãèÿ ñèíàïòè÷åñêèõ ñåòåé íåéðîíîâ. Îòìåòèì çíà÷èòåëüíîå êîëè÷åñòâî îá-
ðàòíûõ ñâÿçåé ñèíàïñîâ ñ ÿäðîì, ïîçâîëÿþùèõ àíàëèçèðîâàòü îñîáåííîñòè îáðà-
áîòêè èíôîðìàöèè â íåéðîíå. Ïðè ýòîì ñóùåñòâåííûé èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿåò
ïðîöåññ ïîñòóïëåíèÿ èíôîðìàöèè â ÿäðî íåéðîíà, â êîòîðîì «ïðèíèìàåòñÿ ðå-
øåíèå» î ïîääåðæàíèè ñîñòîÿíèÿ ñèíàïòè÷åñêîãî êîíòàêòà è îñóùåñòâëÿåòñÿ ïå-
ðåäà÷à ñîîòâåòñòâóþùèõ ñèãíàëîâ â ýòó çîíó [9, 10].
Ìåìáðàííûå êîìïëåêñû íåéðîíà èìåþò âàæíîå çíà÷åíèå â ðåãóëèðîâàíèè
ñèíàïòè÷åñêîãî òîêà äëÿ ïåðåäà÷è ñîîòâåòñòâóþùèõ ñèãíàëîâ â íåéðîí. Ðàñ-
ñìîòðèì ïðîöåññû ôîðìèðîâàíèÿ çàïîìèíàþùèõ ñòðóêòóð, õðàíÿùèõñÿ â íåéðî-
íàõ â âèäå èçìåíåíèé ñòðóêòóðû ÄÍÊ, âûçûâàåìûõ ñèãíàëàìè, íåñóùèìè èí-
ôîðìàöèþ îá èçìåíåíèÿõ îêðóæàþùåé ñðåäû [3].
Ïðè èñïîëüçîâàíèè íåéðîííûõ ñåòåé äëÿ ïðîõîæäåíèÿ ñèãíàëà àðõèòåêòóðà
ñåòè ìîæåò îñòàâàòüñÿ ïîñòîÿííîé, èçìåíÿåòñÿ òîëüêî êîëè÷åñòâî íåéðîíîâ è ñè-
íàïñîâ [11, 12]. Ðàññìîòðèì íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ðàáîòû ñèíàïòè÷åñêîãî êîí-
òàêòà, îáåñïå÷èâàþùèå àêòèâàöèþ íåéðîíà, è ôóíêöèþ ìåìáðàííûõ êîìïëåêñîâ
íåéðîíà â ðåãóëèðîâàíèè ñèíàïòè÷åñêîãî òîêà äëÿ ïåðåäà÷è ñîîòâåòñòâóþùèõ
ñèãíàëîâ â íåéðîí.
 ñîñòîÿíèè ïîêîÿ ïîòåíöèàë íåéðîíà ðàâíÿåòñÿU 0 . Äëÿ òîãî ÷òîáû íåéðîí
àêòèâèðîâàòü, òðåáóåòñÿ èçìåíèòü åãî ïîòåíöèàë íà âåëè÷èíó, ïðåâûøàþùóþ
ïîðîã íåéðîíàU p . Ïîðîã íåéðîíà — âåëè÷èíà, çàâèñÿùàÿ îò ñîñòîÿíèÿ íåéðîíà,
à òàêæå âðåìåíè åãî ïðåáûâàíèÿ â ýòîì ñîñòîÿíèè [11]. Ïîýòîìó ïîðîã íåéðîíà
ÿâëÿåòñÿ ôóíêöèåé, çàâèñÿùåé îò âðåìåíè: U tp ( ).
Íåéðîí áóäåò àêòèâèðîâàí, åñëè
�U t U tp( ) ( )� , (2)
ãäå �U t( ) — èçìåíåíèå ïîòåíöèàëà íåéðîíà, à èìåííî ïåðåìåííàÿ íàïðÿæå-
íèÿ íà åìêîñòè ìåìáðàíû âî âðåìÿ ïðîõîæäåíèÿ ÷åðåç íåå ñèíàïòè÷åñêîãî
òîêà I d .
176 ISSN 1019-5262. Êèáåðíåòèêà è ñèñòåìíûé àíàëèç, 2019, òîì 55, ¹ 3
Òàêîé òîê îïèñûâàåòñÿ �-ôóíêöèåé [11], õàðàêòåðèçóþùåé ðåçêèé ñêà÷îê
ïîñòñèíàïòè÷åñêîãî ïîòåíöèàëà ïîñëå àêòèâàöèè íåéðîíà, à òàêæå åãî
ìåäëåííîå óãàñàíèå:
I t g t Id d( ) ( )� �syn � � 0 , (3)
ãäå gsyn — ìàêñèìàëüíàÿ ñèíàïòè÷åñêàÿ ïðîâîäèìîñòü ñèíàïòè÷åñêîãî
êîíòàêòà â íåéðîíå, I 0 — ñèíàïòè÷åñêèé òîê â ìîìåíò ãåíåðàöèè ïîòåíöèà-
ëà äåéñòâèÿ, �d — ïîñòîÿííàÿ çàäåðæêè, ÷òî õàðàêòåðèçóåò âðåìÿ ðàñïðîñòðà-
íåíèÿ íåéðîìåäèàòîðîâ â àêñîíå.
Ðàññìîòðèì óðàâíåíèå äëÿ îïðåäåëåíèÿ �U t( ) ñ ó÷åòîì âåëè÷èí ñîïðîòèâ-
ëåíèÿ è åìêîñòè ìåìáðàí ñèíàïòè÷åñêîãî êîíòàêòà:
d U t
dt
U t
C
I td
�
�
( )
( ) ( )� �
1 1
2�
, (4)
ãäå �2 � R CM — ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè ìåìáðàíû, R CM , — ñîïðîòèâëåíèå è
åìêîñòü ìåìáðàíû ñîîòâåòñòâåííî.
Ïåðåìåííàÿ t — âðåìÿ, ïðîøåäøåå ñ íà÷àëà çàïóñêà ñèñòåìû. Òàêèì îáðà-
çîì, ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî �U ( )0 0� . Ðåøèâ óðàâíåíèå (4) ñ ó÷åòîì äàííîãî óñëî-
âèÿ, ïîëó÷èì ñëåäóþùåå âûðàæåíèå:
�U t
C
e I x e dx
t
d
x
t
( ) ( )�
�
�
1
2 2
0
� �
. (5)
Äëÿ áîëåå ðàçâåðíóòîãî ðåøåíèÿ óðàâíåíèÿ (5) âîñïîëüçóåìñÿ óðàâíåíèÿìè
(2) è (3), îïèñûâàþùèìè ñèíàïòè÷åñêèé òîê I d :
�U t
C
e g I
x e
dx
t
t
d
x x d
( )
( )
�
��
�
�
�
1
2
2
0
0
�
�
�
��
�
syn . (6)
Äëÿ îïðåäåëåíèÿ ïîëíîãî èçìåíåíèÿ ïîòåíöèàëà íåéðîíà ïðîñóììèðóåì ïî-
ëó÷åííûå ôîðìóëû ñ ó÷åòîì êàæäîãî ñèíàïñà:
� �U t U i
i
n
i( ) ( )�
�
�
0
� ,
(7)
ãäå �U i i( )� îïðåäåëÿåòñÿ äëÿ êàæäîãî i-ãî ñèíàïñà, �i t t� � 1 — âðåìÿ ñó-
ùåñòâîâàíèÿ èìïóëüñà äî ìîìåíòà t.
Êàê áûëî îòìå÷åíî, àêòèâàöèÿ íåéðîíà ïðèâîäèò ê ãåíåðàöèè ïîòåíöèàëà
äåéñòâèÿ, à òàêæå ïåðåäà÷å ñèíàïòè÷åñêîãî òîêà ê íåéðîíó.
Ñîîòíîøåíèÿ (2)–(7) ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ìàòåìàòè÷åñêóþ ìîäåëü ñèíàïòè-
÷åñêîãî êîíòàêòà. Îíè îïèñûâàþò ïåðåäà÷ó èìïóëüñà ìåæäó ñèíàïñàìè íåéðî-
íîâ, ïðîöåññ èçìåíåíèÿ ïîðîãà íåéðîíà â çàâèñèìîñòè îò ñîñòîÿíèÿ ñèíàïñà, èç-
ìåíåíèÿ ïîòåíöèàëà íåéðîíà, à òàêæå òîê, êîòîðûé ïåðåäàåòñÿ ïî ñèíàïñàì â ìî-
ìåíò ãåíåðàöèè ïîòåíöèàëà äåéñòâèÿ äëÿ àêòèâàöèè íåéðîíà.
Ñîñòîÿíèå ðàçðàáîòîê çàïîìèíàþùèõ óñòðîéñòâ íà îñíîâå ÄÍÊ. Â çàïî-
ìèíàþùåì óñòðîéñòâå [7] íà îñíîâå ÄÍÊ èñïîëüçóåòñÿ áëîê ôîðìàëèçîâàííîãî
ïðåäñòàâëåíèÿ ÄÍÊ â öèôðîâîì âèäå äàííûõ, ñåêâåíàòîð ÄÍÊ è áëîê ñ íàáîðîì
ôåðìåíòîâ äëÿ ðàçðåçàíèÿ è ñøèâàíèÿ íóêëåîòèäîâ ÄÍÊ. Â èñêóññòâåííóþ ÄÍÊ
çàïèñûâàåòñÿ ïÿòü ôàéëîâ îáùèì îáúåìîì 5,2 Ìáèò. Èñïîëüçóÿ íîñèòåëü ïàìÿòè
êîðîòêîé îäíîöåïî÷å÷íîé ÄÍÊ, ìîæíî çàïèñàòü íà ìàññèâ òàêèõ ÄÍÊ ïÿòü ðàç-
ëè÷íûõ ôàéëîâ äëÿ ïðåäñòàâëåíèÿ äàííûõ â âèäå ïîñëåäîâàòåëüíîñòè àçîòèñòûõ
îñíîâàíèé ÄÍÊ. Äàííûå êîäèðóþòñÿ â ÷åòûðåõ áëîêàõ ïî 25 íóêëåîòèäîâ.
 17 íóêëåîòèäàõ êîäèðóþòñÿ àäðåñíûå ìåòêè, íåîáõîäèìûå äëÿ ñáîðà äàííûõ
â âûõîäíîé ôàéëîâûé ìàññèâ. Êîäèðîâàíèå âûïîëíÿåòñÿ â òðè ýòàïà. Äâîè÷íûé
ISSN 1019-5262. Êèáåðíåòèêà è ñèñòåìíûé àíàëèç, 2019, òîì 55, ¹ 3 177
êîä, â êîòîðîì ïðåäñòàâëåíû äàííûå, âíà÷àëå êîíâåðòèðóåòñÿ íà êîìïüþòåðå
â òðîè÷íûé êîä, ñ ïîìîùüþ êîòîðîãî âîñüìèáèòîâûå áëîêè äàííûõ ïðåäñòàâëÿ-
þòñÿ â âèäå ïîñëåäîâàòåëüíîñòè èç ïÿòè òðîéíûõ ÷èñåë ( , , )0 1 2 . Äàëåå áëî÷íàÿ
ïîñëåäîâàòåëüíîñòü òàêèõ ÷èñåë êîíâåðòèðóåòñÿ â êîä èç òðåõ íóêëåîòèäîâ. Òðî-
è÷íîå êîäèðîâàíèå ïîçâîëÿåò íå òîëüêî ñæàòü äàííûå, íî è óìåíüøèòü âåðîÿò-
íîñòü îøèáîê ïðè äàëüíåéøåì ÷òåíèè ÄÍÊ è ðåêîíñòðóêöèè ìàññèâà.
 ðàáîòå [9] íóêëåîòèäû ñèíòåçèðóþòñÿ çàïîìèíàþùèì óñòðîéñòâîì, à çà-
òåì îáúåäèíÿþòñÿ â êîðîòêèå öåïî÷êè. Îêîí÷àòåëüíûé ñèíòåç ÄÍÊ èç ýòèõ öå-
ïî÷åê âûïîëíÿëñÿ ñ ïîìîùüþ êëåòî÷íîé ñòðóêòóðû äðîææåé. «×åðíèëàìè» äëÿ
òàêîãî áèîïðèíòåðà ñëóæàò ðàñòâîðû íóêëåîòèäîâ. Íà âûõîäå ïîëó÷àþò áèîìî-
ëåêóëû, îïèñàííûå â èíñòðóêöèè óñòðîéñòâà.
 [13] ïðåäëîæåíà çàïîìèíàþùàÿ ñðåäà íà îñíîâå èñïîëüçîâàíèÿ ìåòîäà
ñåêâåíèðîâàíèÿ ÄÍÊ. Ïîñëå ñåêâåíèðîâàíèÿ êîïèè ìîëåêóëû ÄÍÊ ïîìåùàþòñÿ
â ÷åòûðå ðàñòâîðà. Êàæäûé ðàñòâîð õàðàêòåðèçóåòñÿ ïîíèæåííîé êîíöåíòðàöèåé
îäíîãî íóêëåîòèäà ïî ñðàâíåíèþ ñ äðóãèìè òðåìÿ. Ïðè ïðîâåäåíèè ïîëèìåðèçà-
öèè ÄÍÊ â êàæäîì ðàñòâîðå ðåãèñòðèðóþòñÿ ôàêòû âûäåëåíèÿ èîíîâ ñ ïîìîùüþ
ñåíñîðîâ íà îñíîâå ÌÄÏ-ñòðóêòóð (ÌÄÏ — ìåòàëë, äèýëåêòðèê, ïîëóïðîâîä-
íèê) è èçìåðÿþòñÿ ïðîìåæóòêè âðåìåíè ìåæäó ìîìåíòàìè èõ âûäåëåíèÿ. Ïðè
áîëüøîì ïðîìåæóòêå ïðèñîåäèíÿåòñÿ íóêëåîòèä ñ ïîíèæåííîé êîíöåíòðàöèåé è
çàòåì îïðåäåëÿåòñÿ åãî ðàñïîëîæåíèå â ñåêâåíèðóåìîé ÄÍÊ. Îïðåäåëåíèå ìî-
ìåíòà ïðèñîåäèíåíèÿ íóêëåîòèäà ê ðàñòóùåé öåïè ÄÍÊ ïóòåì èçìåðåíèÿ ñèãíà-
ëà îò êàæäîãî ñåíñîðà ïðîâîäèòñÿ â ðåæèìå ñòîõàñòè÷åñêîãî ðåçîíàíñà.
Ðàçðàáîòêà çàïîìèíàþùåãî óñòðîéñòâà ñî ñâåðõâûñîêîé ïëîòíîñòüþ çà-
ïèñè èíôîðìàöèè. Â çàïîìèíàþùåì óñòðîéñòâå ñî ñâåðõâûñîêîé ïëîòíîñòüþ
çàïèñè èíôîðìàöèè ñ ïðèìåíåíèåì íîâûõ ýëåìåíòîâ íåîáõîäèìî ðåàëèçîâàòü
ñèíòåç ôðàãìåíòà ÄÍÊ ñ èñïîëüçîâàíèåì ÐÍÊ äëÿ ïîñëåäóþùåé ïåðåäà÷è óêàçàí-
íîãî ôðàãìåíòà â èçìåíåííóþ ÄÍÊ ñ ïîìîùüþ ÐÍÊ-çàâèñèìîé ÄÍÊ-ïîëèìåðàçû.
Äëÿ çàïîìèíàíèÿ ðàçðàáîòàíà ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà çàïîìèíàþùåãî óñòðîéñòâà
ñî ñâåðõâûñîêîé ïëîòíîñòüþ çàïèñè èíôîðìàöèè. Òàêîå óñòðîéñòâî âêëþ÷àåò
áëîê ôîðìàëèçîâàííîãî ïðåäñòàâëåíèÿ ÄÍÊ â öèôðîâîì âèäå äàííûõ, ñåêâåíà-
òîð ÄÍÊ, áëîê ñ íàáîðîì ôåðìåíòîâ äëÿ ðàçðåçàíèÿ è ñøèâàíèÿ íóêëåîòèäîâ
ÄÍÊ, íàáîð íóêëåîòèäîâ ÐÍÊ äëÿ ïåðåäà÷è íîâîé èíôîðìàöèè îò èñòî÷íèêà
ñèãíàëîâ â èçìåíåííóþ ÄÍÊ ñ ïîìîùüþ ÐÍÊ-çàâèñèìîé ÄÍÊ-ïîëèìåðàçû [6].
 äàííîì óñòðîéñòâå (ðèñ. 2) æèäêîñòíûå ñèñòåìû ÄÍÊ (áëîê 1) è ÐÍÊ
(áëîê 2) èìåþò â ñâîåì ñîñòàâå ïîäñèñòåìó äåòåêöèè (áëîê 3) íà îñíîâå
ÌÄÏ-ñåíñîðîâ, ÷óâñòâèòåëüíûõ ê âûáðîñàì èîíîâ âîäîðîäà â ðàñòâîð. Ïîäñèñ-
òåìà äåòåêöèè âêëþ÷àåò ÷åòûðå ïëàíàðíûå ìàòðèöû, íà ïîâåðõíîñòè êîòîðûõ
ðàñïîëîæåíû îò 1 äî N ñåíñîðîâ. Óñòðîéñòâî èìååò èñòî÷íèê íàïðÿæåíèÿ ñìå-
ùåíèÿ (áëîê 6) è ãåíåðàòîð øóìà (áëîê 7).  êà÷åñòâå ñåíñîðà èñïîëüçóåòñÿ
ñòðóêòóðà ñ âîçìîæíîñòüþ ôîðìèðîâàíèÿ ðåæèìà ñòîõàñòè÷åñêîãî ðåçîíàíñà,
âûïîëíåííàÿ íà îñíîâå ÌÄÏ-äèîäà, ïîçâî-
ëÿþùåãî îáåñïå÷èòü ðàáîòó ñåíñîðà ïîñðå-
äèíå ó÷àñòêà áèñòàáèëüíîñòè çà ñ÷åò ñìåùå-
íèÿ ðàáî÷åé òî÷êè ÌÄÏ-äèîäà. Äëÿ ýòîãî
îäèí âûõîä èñòî÷íèêà ñìåùåíèÿ (áëîê 6)
ïîäêëþ÷åí ê êàòîäó óñòðîéñòâà, à äðóãîé —
ê ãåíåðàòîðó øóìà. Àíîä ÌÄÏ-äèîäà ÿâëÿ-
åòñÿ âûõîäîì ñåíñîðà è ïîäêëþ÷åí ê îäíîìó
èç N âõîäîâ óñèëèòåëÿ òîêà (áëîê 4), âûõîä
êîòîðîãî ïîäêëþ÷åí ê âõîäó àíàëîãî-öèôðî-
âîãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ (áëîê 5), ñâÿçàííîãî
178 ISSN 1019-5262. Êèáåðíåòèêà è ñèñòåìíûé àíàëèç, 2019, òîì 55, ¹ 3
1
3
4
6
7
8
2
5
Ðèñ. 2. Ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà çàïîìèíàþùåãî
óñòðîéñòâà ñî ñâåðõâûñîêîé ïëîòíîñòüþ
çàïèñè èíôîðìàöèè
ñ âõîäîì êîìïüþòåðà (áëîê 8). ÌÄÏ-äèîä ñîñòîèò èç ìíîãîñëîéíîé êîíñòðóêöèè,
âêëþ÷àþùåé ñîåäèíåííûé ñ àíîäîì ïåðâûé ìåòàëëè÷åñêèé êîíòàêò, ðàñïîëîæåí-
íûé íà íèæíåì ñëîå êðåìíèÿ ñ äûðî÷íîé ïðîâîäèìîñòüþ (p-Si), âåðõíÿÿ ïîâåðõ-
íîñòü êîòîðîãî ñîåäèíåíà ñ íèæíåé ïîâåðõíîñòüþ ñëîÿ êðåìíèÿ ñ ýëåêòðîííîé
ïðîâîäèìîñòüþ (n-Si). Âåðõíÿÿ ïîâåðõíîñòü n-Si ïîêðûòà ñëîåì äèýëåêòðè÷åñêîé
àëìàçîïîäîáíîé ïëåíêè, íà âåðõíåé ïîâåðõíîñòè êîòîðîé îáðàçîâàíà ðàáî÷àÿ çîíà
äëÿ ñòàáèëèçàöèè ôðàãìåíòîâ ÄÍÊ.
Äëÿ ðàáîòû óñòðîéñòâà èñïîëüçóþò ÷åòûðå âèäà ðàñòâîðîâ äëÿ ïîëèìåðèçà-
öèè ôðàãìåíòîâ ÄÍÊ ïî ÷èñëó âèäîâ íóêëåîòèäîâ. Êàæäûé ðàñòâîð ñîäåðæèò
âñå ÷åòûðå âèäà íóêëåîòèäîâ ñ êîíöåíòðàöèåé îäíîãî íóêëåîòèäà, ìåíüøåé, ÷åì
â òðåõ äðóãèõ. Åñëè â êàêîì-íèáóäü ðàñòâîðå êîíöåíòðàöèÿ ëþáîãî âèäà íóêëåî-
òèäà ñíèæåíà, òî â òðåõ äðóãèõ êîíöåíòðàöèÿ ýòîãî âèäà íóêëåîòèäîâ èìååò èñ-
õîäíîå çíà÷åíèå. Ôðàãìåíòû ÄÍÊ ñåêâåíèðóþòñÿ ñ ïîìîùüþ æèäêîñòíîé ñèñòå-
ìû ñ èñïîëüçîâàíèåì àâòîìàòèçèðîâàííîé ïèïåòêè è ïîìåùàþòñÿ íà ïîâåðõ-
íîñòü ÷åòûðåõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ñåíñîðîâ â âèäå äèýëåêòðè÷åñêîãî ñëîÿ ñî
ñòàáèëèçàöèåé íà íåì â çàðàíåå íàíåñåííûå ðàñòâîðû ÷åòûðåõ âèäîâ äëÿ ïðîâå-
äåíèÿ ðåàêöèè ïîëèìåðèçàöèè ÄÍÊ.
Ñ ïîìîùüþ æèäêîñòíîé ñèñòåìû (áëîê 1) â ðàñòâîð äîáàâëÿþòñÿ ìîëåêóëû
ÄÍÊ-ïîëèìåðàçû è âûïîëíÿåòñÿ ðàáî÷èé öèêë ñåêâåíèðîâàíèÿ ôðàãìåíòà ÄÍÊ.
Ïðè ýòîì îñóùåñòâëÿåòñÿ äåòåêòèðîâàíèå ìîìåíòà ïðèñîåäèíåíèÿ íóêëåîòèäà
ê ðàñòóùåé öåïè ÄÍÊ èçìåðåíèåì ñèãíàëà îò êàæäîãî ñåíñîðà. Ñåíñîðû âûïîë-
íåíû íà ÌÄÏ-äèîäå ñ âîçìîæíîñòüþ ðåãèñòðàöèè èëè èçìåíåíèÿ êîíöåíòðàöèè
èîíîâ âîäîðîäà íà ôðàãìåíòå ÄÍÊ, êîòîðûé ïîëèìåðèçóåòñÿ â ðåæèìå ñòîõàñòè-
÷åñêîãî ðåçîíàíñà. Òàêîé ðåæèì îáåñïå÷èâàåòñÿ âûáîðîì ðàáî÷åé òî÷êè
ÌÄÏ-ñòðóêòóðû ñåíñîðà ïîñðåäèíå ó÷àñòêà áèñòàáèëüíîñòè è ââåäåíèåì
ñèãíàëà øóìà îò ãåíåðàòîðà øóìà (áëîê 7) íà êàòîä ÌÄÏ-äèîäà.
Ðåãèñòðèðóþòñÿ ÷åòûðå ñèãíàëà ñ âûõîäîâ óñèëèòåëåé ÌÄÏ-ñåíñîðîâ, ðàç-
ìåùåííûõ íà ÷åòûðåõ ìàòðèöàõ, è ñ ïîìîùüþ êîìïüþòåðà îáðàáàòûâàþòñÿ äàí-
íûå. Ïðè ýòîì îïðåäåëÿþòñÿ ìîìåíòû çàäåðæêè ñèãíàëà ïðè âêëþ÷åíèè êàæäîãî
âèäà íóêëåîòèäîâ â ìîëåêóëó ÄÍÊ íà êàæäîì îòäåëüíîì ñåíñîðå.
Âîññòàíàâëèâàåòñÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü íóêëåîòèäîâ â ñåêâåíèðóåìîé ÄÍÊ
èíòåãðèðîâàíèåì ïîëó÷åííûõ äàííûõ î ðàñïîëîæåíèè íóêëåîòèäîâ ñ ïîíèæåí-
íîé êîíöåíòðàöèåé â êàæäîì èç ÷åòûðåõ ðàñòâîðîâ êàæäîãî ñåíñîðà íà ÷åòûðåõ
ìàòðèöàõ.
Çàïèñàííûå â ïàìÿòü êîìïüþòåðà ÷åòûðå ñèãíàëà-öèêëîãðàììû (ïî îäíîìó
îò êàæäîãî èç ÷åòûðåõ ÌÄÏ-äèîäîâ) èìåþò ðàçëè÷èÿ â âèäå çàäåðæåê (îòñóòñòâèå
èçìåíåíèÿ ñèãíàëà) â òå ìîìåíòû âðåìåíè, êîãäà ìîëåêóëà ïîëèìåðàçû ÄÍÊ
â ñîîòâåòñòâóþùåì ðàñòâîðå, äîéäÿ äî ôðàãìåíòà ÄÍÊ, êîíöåíòðàöèÿ êîìïëå-
ìåíòàðíîãî íóêëåîòèäà êîòîðîãî â ðàñòâîðå ñíèæåíà, áóäåò îæèäàòü åãî ïîäõîäà
èç ðàñòâîðà äëÿ âñòðàèâàíèÿ â ôðàãìåíò ÄÍÊ. Ðåêîíñòðóêöèþ èíôîðìàöèîííîé
ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ñåêâåíèðîâàííîé ÄÍÊ ïî çàäåðæêàì â õîäå ðåàêöèè ïîëè-
ìåðèçàöèè ôðàãìåíòîâ ÄÍÊ îñóùåñòâëÿþò ñëåäóþùèì îáðàçîì.
Ïîñëå çàïèñè èçìåíåíèé ïðîâîäèìîñòè ïî âðåìåíè âñåõ ÷åòûðåõ ðàñòâîðîâ
ïðîâîäèòñÿ èõ ñðàâíåíèå. Ïðè ýòîì îïðåäåëÿþòñÿ ìîìåíòû çàäåðæåê â ïîÿâëå-
íèè ñèãíàëîâ èçìåíåíèÿ ïðîâîäèìîñòè òîãî èëè èíîãî ðàñòâîðà. Çàäåðæêè (èëè
ôàçû îòñóòñòâèÿ) èçìåíåíèÿ òàêîãî ñèãíàëà óêàçûâàþò íà íàëè÷èå â äàííîì ìåñ-
òå â èíôîðìàöèîííîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ñåêâåíèðîâàííîé ÄÍÊ òîãî íóêëåîòè-
äà, êîíöåíòðàöèÿ êîòîðîãî â ýòîì ðàñòâîðå ñóùåñòâåííî ñíèæåíà ïî ñðàâíåíèþ
ñ äðóãèìè. Çàòåì â æèäêîñòíóþ ñèñòåìó ÐÍÊ (áëîê 2), ñîäåðæàùóþ íóêëåîòè-
äû — àäåíèí, óðàöèë, ãóàíèí, öèòîçèí, äîáàâëÿþò ðàñòâîð ÐÍÊ-çàâèñèìîé
ÄÍÊ-ïîëèìåðàçû. Â æèäêîñòíîé ñèñòåìå ÐÍÊ (áëîê 2), ñâÿçàííîé ñ áëîêîì 1,
ISSN 1019-5262. Êèáåðíåòèêà è ñèñòåìíûé àíàëèç, 2019, òîì 55, ¹ 3 179
ïðîèñõîäèò ñèíòåç ÄÍÊ íà ìàòðèöå ÐÍÊ, ÷òî è ÿâëÿåòñÿ ýôôåêòîì ðåàëèçàöèè
çàïîìèíàþùåãî óñòðîéñòâà ñî ñâåðõâûñîêîé ïëîòíîñòüþ çàïèñè èíôîðìàöèè.
Òàêèì îáðàçîì, óñòðîéñòâî ïîçâîëÿåò çàïîìèíàòü è ïåðåäàâàòü ïîëó÷åííóþ
èíôîðìàöèþ íà èçìåíåííóþ ÄÍÊ ââåäåíèåì íàáîðà íóêëåîòèäîâ ÐÍÊ äëÿ ïåðå-
äà÷è äàííûõ ñ èñïîëüçîâàíèåì ÐÍÊ-çàâèñèìîé ÄÍÊ-ïîëèìåðàçû.  æèäêîñòíîé
ñèñòåìå ÐÍÊ ïðîèñõîäèò ñèíòåç ÄÍÊ íà ìàòðèöå ÐÍÊ. Êàê îòìå÷àëîñü âûøå,
äîëãîâðåìåííàÿ ïàìÿòü ìîæåò áûòü ðåçóëüòàòîì âîçíèêíîâåíèÿ íîâûõ ñèíàïñîâ,
êîòîðûå, â ñâîþ î÷åðåäü, ôèêñèðóþòñÿ ïî îáðàòíîé ñâÿçè â ÄÍÊ.
Àíàëèç ïðîöåññîâ îáðàáîòêè èíôîðìàöèè â íåéðîíàõ ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ
äëÿ ñîçäàíèÿ ïåðñïåêòèâíûõ çàïîìèíàþùèõ óñòðîéñòâ. Ïðåäëîæåííàÿ ìîäåëü
ïåðåäà÷è èìïóëüñîâ ìåæäó ñèíàïñàìè è ñòðóêòóðàìè íåéðîíîâ â ïðîöåññå èçìå-
íåíèÿ ïîðîãà ÷óâñòâèòåëüíîñòè íåéðîíà â çàâèñèìîñòè îò âåëè÷èíû òîêà
ïîçâîëÿåò ñèíàïñàì àêòèâèðîâàòü íåéðîíû. Äàííûé ïîäõîä ìîæíî ïðèìåíÿòü
â ðåàëèçàöèè ýëåìåíòíîé áàçû äëÿ ñîçäàíèÿ óñòðîéñòâ, èñïîëüçóþùèõ
âîçìîæíîñòè íåéðîíîâ ïî îáðàáîòêå èíôîðìàöèè.
Ïðèâåäåííûå ðåçóëüòàòû ðàçðàáîòêè çàïîìèíàþùèõ óñòðîéñòâ ñî ñâåðõâû-
ñîêîé ïëîòíîñòüþ çàïèñè èíôîðìàöèè íà îñíîâå ïðèíöèïîâ ôóíêöèîíèðîâàíèÿ
ìîëåêóëÿðíûõ ñèñòåì íåéðîíà è åãî ÿäåðíûõ êîìïîíåíòîâ ÄÍÊ è ÐÍÊ ïîçâîëÿ-
þò ïðèìåíÿòü òàêèå óñòðîéñòâà ïðè ñåíñîðíîé äèàãíîñòèêå â êà÷åñòâå
çàïîìèíàþùèõ ìîäóëåé íàíîðàçìåðíûõ ñåíñîðîâ.
ÑÏÈÑÎÊ ËÈÒÅÐÀÒÓÐÛ
1. Ñìèðÿåâ À.Â., Ïàíêèíà Ë.Ê. Ìîäåëèðîâàíèå ãåííûõ ñåòåé. Ìîñêâà: Èçä-âî ÐÃÀÓ-ÌÑÕÀ. 2016. 52 ñ.
2. Ëèõîøâàé Â.À., Ìàòóøêèí Þ.Ã., Ðàòóøíûé À.Â., Àíàíüêî Å.À., Èãíàòüåâà Å.Â., Ïîäêîëîä-
íàÿ Î.Â. Îáîáùåííûé õèìèêî-êèíåòè÷åñêèé ìåòîä ìîäåëèðîâàíèÿ ãåííûõ ñåòåé. Ìîëåêóëÿð-
íàÿ áèîëîãèÿ. 2001. Ò. 35, ¹ 6. Ñ. 1072–1079.
3. Boles K.S., Kannan K., Gill J., Felderman M., Gouvis H., Hubby B., Kamrud K.I., Venter J.C.,
Gibson D.G. Digital-to-biological converter for on-demand production of biologics. Nature
Biotechnology. 2017. Vol. 35. P. 672–675.
4. Ìèíååâà Î.À., Áóðöåâ Ì.Ñ., Àíîõèí Ê.Â. Ïîäõîäû ê èçó÷åíèþ ãåíîìíîé è ñèíàïòè÷åñêîé
ïëàñòè÷íîñòè â ñåòÿõ íåðâíûõ êëåòîê, êóëüòèâèðóåìûõ íà ìóëüòèýëåêòðîííûõ ìàòðèöàõ.
Æóðíàë âûñøåé íåðâíîé äåÿòåëüíîñòè. 2012. T. 62, ¹ 3. Ñ. 261–269.
5. Kandel E.R. The molecular biology of memory storage: a dialog between genes and synapses.
Biosci. Rep. 2001. Vol. 21. P. 565–611.
6. Çàïàì’ÿòîâóþ÷èé ïðèñòð³é ç íàäâèñîêîþ ù³ëüí³ñòþ çàïèñó ³íôîðìàö³¿. Ïàòåíò Óêðà¿íè íà êî-
ðèñíó ìîäåëü ¹ 124147. Õîäàêîâñüêèé Ì.². Îïóáë. 26.03.2018. Áþë. «Ïðîìèñëîâà âëàñí³ñòü».
2018. ¹ 6.
7. Goldman N., Bertone P., Chen S., Dessimoz C., LeProust E.M., Sipos B., Birney E. Towards
practical, high-capacity, low-maintenance information storage in synthesized DNA. Nature. 2013.
Vol. 494. P. 77–80.
8. Toropova K.A., Anokhin K.V., Tiunova A.A. Blockade of histone deacetylation in the brain
modulates the expression of transcription factors c-FOS and ZENK and potentiates the formation of
long-term memory in neonatal chicks. Neuroscience and Behavioral Physiology. 2016. Vol. 46, N 3.
P. 256–263.
9. Gallistel C., Balsam P. Time to rethink the neural mechanisms of learning and memory.
Neurobiology. 2014. Vol. 108. P. 136–144.
10. Cai D., Pearce K., Chen S., Glanzman D.L. Reconsolidation of long-term memory in Aplysia.
Current Biology. 2012. Vol. 22. P. 1783–1788.
180 ISSN 1019-5262. Êèáåðíåòèêà è ñèñòåìíûé àíàëèç, 2019, òîì 55, ¹ 3
11. Çàõàðîâ Ä.Ã., Êóçíåöîâ À.Ñ. Î äèíàìè÷åñêèõ ìåõàíèçìàõ âîçäåéñòâèÿ ñèíàïòè÷åñêèõ òîêîâ
íà ìîäåëü íåéðîíà ñ äèôôåðåíöèàöèåé îòêëèêà. Ïèñüìà â ÆÝÒÔ. 2015. Ò. 102, ¹ 3.
Ñ. 211–215.
12. Ïîò³ºíêî Ì.Â. Ñòðóêòóðíà ìîäåëü ïðîöåñ³â ïàì’ÿò³ ëþäèíè. ³ñíèê Êè¿âñüêîãî óí³âåðñèòåòó.
Ñåð³ÿ: ô³ç.-ìàò. íàóêè. 2010. Âèï. 4. Ñ. 169–172.
13. Ñïîñîá ñåêâåíèðîâàíèÿ ÄÍÊ è óñòðîéñòâî äëÿ åãî îñóùåñòâëåíèÿ. Ïàòåíò ÐÔ ¹ 2539038.
Ìàíòóðîâ À.Î., Ãóòîðîâ Ì.À. Îïóáë. 10.01.2015. Áþë. «Èçîáðåòåíèÿ. Ïîëåçíûå ìîäåëè».
2015. ¹ 1.
Íàä³éøëà äî ðåäàêö³¿ 25.06.2018
Ì.². Õîäàêîâñüêèé
ÌÅÒÎÄ ÏÎÁÓÄÎÂÈ ÇÀÏÀÌ’ßÒÎÂÓÂÀËÜÍÈÕ ÏÐÈÑÒÐÎ¯Â Ç ÍÀÄÂÈÑÎÊÎÞ
Ù²ËÜͲÑÒÞ ÇÀÏÈÑÓ ²ÍÔÎÐÌÀÖ²¯
Àíîòàö³ÿ. Ðîçðîáëåíî ìåòîä ïîáóäîâè çàïàì’ÿòîâóâàëüíèõ ïðèñòðî¿â ç íàä-
âèñîêîþ ù³ëüí³ñòþ çàïèñó ³íôîðìàö³¿ íà îñíîâ³ âèêîðèñòàííÿ ïðèíöèï³â ðî-
áîòè ìîëåêóëÿðíèõ ñèñòåì íåéðîíà òà éîãî ÿäåðíèõ êîìïîíåíò³â — ÄÍÊ ³
ÐÍÊ. Çàïðîïîíîâàíî ìîäåëü ïåðåäà÷³ ³ìïóëüñ³â ì³æ ñèíàïñàìè ³ ñòðóêòóðàìè
íåéðîí³â ó ïðîöåñ³ çì³íè ïîðîãà ÷óòëèâîñò³ íåéðîíà â çàëåæíîñò³ â³ä âåëè-
÷èíè ñòðóìó. Òàê³ ïðèñòðî¿ ìîæíà âèêîðèñòîâóâàòè ÿê çàïàì’ÿòîâóâàëüí³
ìîäóë³ íàíîðîçì³ðíèõ ñåíñîð³â.
Êëþ÷îâ³ ñëîâà: íàäâèñîêà ù³ëüí³ñòü çàïèñó ³íôîðìàö³¿, ìîäåëü ïåðåäà÷³
³ìïóëüñ³â ì³æ ñèíàïñàìè ³ ñòðóêòóðàìè íåéðîí³â, çàïèñ ³íôîðìàö³¿ íà
îðãàí³÷íèõ íîñ³ÿõ.
M.I. Khodakovskyi
THE METHOD OF CONSTRUCTING MEMORY DEVICES WITH ULTRAHIGH DENSITY
OF INFORMATION RECORDING
Abstract. A method is developed to construct memory devices with an ultrahigh
density of information recording based on the principles of operation of the
neuron molecular systems and its nuclear components, DNA and RNA. A model
of impulse transfer between synapses and neuron structures during variation in
the neuron sensitivity threshold as a function of current is proposed. Such
devices can be used as memory modules in nanoscale sensors.
Keywords: ultra-high density of information recording; model of impulse
transmission between synapses and neuron structures; record information on
organic memory carriers.
Õîäàêîâñêèé Íèêîëàé Èâàíîâè÷,
êàíäèäàò òåõí. íàóê, ñòàðøèé íàó÷íûé ñîòðóäíèê Èíñòèòóòà êèáåðíåòèêè èì. Â.Ì. Ãëóøêîâà ÍÀÍ
Óêðàèíû, Êèåâ, e-mail: nhodak@ukr.net.
ISSN 1019-5262. Êèáåðíåòèêà è ñèñòåìíûé àíàëèç, 2019, òîì 55, ¹ 3 181
|