前 言

近10年来，以在工程上实现脑的信息处理为目标的“生物计算机”、“神经计算机”、“全息计算机”、“生物器件”、“神经元件”等很快引起人们的兴趣。人们越来越普遍地认识到：目前冯 · 诺伊曼式计算机难以实现的信息处理功能就潜藏在大脑中，重要的是了解它，学习其原理，创造新的信息处理系统。

仿生信息处理不限于脑。生物信息处理系统有发端于感官、汇集于脑，同时发散到各执行单元的神经系统和使用荷尔蒙等信息分子进行细胞间通信的分泌系统。而且，各个细胞都内含复杂巧妙的信息处理装置。DNA复制、转录到RNA及破译等一系列的遗传信息处理系统本身就是极精密的信息机器，但与目前使用的电子计算机完全不同，而是化学信息机器或分子信息机器。生命科学表明，细胞内的分子信息机器集成遗传信息系统、进行DNA复制、或转录到RNA、翻译成蛋白质。这些处理支配着生物的产生、分化、成形、神经系统的形成、脑的功能等生命现象的基础。

本文仅就细胞间的信息传递机制、细胞内的信息处理、脑的信息处理作一论述。

细胞间的信息传递和细胞内的信息处理

生物的信息处理系统以分子传递信息的“分子通信”为其特征。特别是细胞间的通信几乎都由分子进行。荷尔蒙、神经介质、DNA是代表性的信息分子。分子通信需要发送和接收信息分子的机制。某个细胞只要发送信息分子，信息分子便通过血液系统或淋巴系统循环于整个生物体。在信宿端的细胞表面，有一个有选择地吸收该信息分子的感受器。因此，分子通信系统实际上处于多种多样的细胞各个发送不同信息分子的极多路通信状态。但是，由于信宿细胞能有选择地辨别特定的信息分子，能实现分子通信。

信宿细胞表面的感受器是能识别特定信息分子，并变换该信息的蛋白质。这些高分子被嵌入细胞膜内，大致分为三种：

第一种，感受器和离子通道相连，出现在神经键的神经介质感受部位。一旦信息分子被细胞表面的感受器认别，则引起形成离子通道的蛋白质结构上的变化，打开离子通道。结果，离子流入细胞内，产生脉冲。第二种是感受器由两种功能蛋白组成，出现在胰岛素等的荷尔蒙信宿细胞上。蛋白质一端露在细胞表面，识别信息分子；另一端藏于细胞膜内侧。细胞膜内侧的蛋白质在无信息分子时处于稳定状态，一旦识别到信息分子就立即被激活，显示出酶活性。促使蛋白质磷酸化的磷酸根转移酶C等即是其代表。通过某个信息分子被接收，引起大量的蛋白质磷酸化，起着第二信使的作用，因此感受器的信息变换伴随着明显的增幅作用。

第三种除以上两种蛋白质外，还带有GTP结合蛋白（G蛋白）。通过G蛋白，信息分子被转换成第二信使，同样起着显著的增幅作用。

以上机制可在细胞内形成非常复杂的信息系统，制约各种生物体机能。细胞内各种物质代谢过程被系统化，得到精密控制，以保持稳定性。

细胞内信息处理系统的特例是基因自我复制、转录、破译。DNA是由四种碱编排的蛋白质成分——氨基酸的序列链。DNA信息被转录成信使 RNA（mRNA）。蛋白质的设计图全部存储在DNA中，这是高分子存储。被mRNA转录的信息由细胞内的核糖破译，合成蛋白质。核糖是高分子存储的解读设备，譬如磁头，mRNA则像磁带。

生物传感器

学习细胞信息分子接收信息的机制而创造出来的就是生物传感器。生物传感器有选择地识别特定的分子，变换分子信息。细胞膜的感受器将分子信息增幅，转换成一种叫做第二信使的特种分子信息，而由生物传感器把子信息转换成电子信息。最重要的是分子信息的识别，半导体难以实现。细胞的感受器揭示出，要识别分子信息，需要非常高级的分子结构。

酶及抗体作为起感受器作用的蛋白质，已经很成功地植入生物传感器中了。酶有选择地识别相应的基质分子，催化该分子起特异反应。例如，萄萄糖氧化酶在识别葡萄糖时就能将相应的变化变换成电子信息，构成葡萄糖敏感元件。以从电气化学特性上检测伴随_糖氧化反应的电子活动方式为代表，信息变换可以有多种形式。把酶作为感受器的生物传感器在各种信息变换方式下，构成各种形式的传感器。

与分子感应器件不同，核糖是用单一的器件来破译多种分子信息。核糖破译由录入mRNA的四种碱组成的密码。如果能形成发挥核糖作用的分子传感器，就能够在细胞外合成以遗传信息为依据的蛋白质。以往，即使能合成将目标蛋白的氨基酸序列编码的DNA，破译合成DNA或合成蛋白质也必须在细胞内才能进行。

脑的信息处理和神经元件的研究

脑的信息处理指感觉、运动、自律机能、情绪、睡眠、记忆等活动。人脑更是一个具有语言能力、抽象思维能力、创造能力等高级精神能力的系统。由于脑在结构上和功能上都极其复杂，它由作为功能元件的神经、作为统一功能单元活动的神经网络和数个这样的神经网络构成，因此研究在功能系统的三个水平上进行。

人脑的神经元细胞据说有100亿~1000亿个，这些神经通过神经键相互结合，但输入复杂输出单一。越来越普遍的观点是：神经与其说仅仅是开关元件，不如说是起超大规模集成电路作用的功能元件。神经键的大部分分布于神经的树状突起部分，而且，由于其大部分粘在树状突起部分的触刺上，因此，大量的信息通过各个神经键输入到树状突触处。这些输入信息在树状突触或细胞膜上得到处理，脉冲信号就从神经键后面的神经传递出去。

已知神经键在功能上分为兴奋型、抑制型或神经键前抑制型三类。但当某个神经突触分叉，与其它许多神经相连时，这些神经键的功能是相同的，这就是大脑皮层的锥体细胞被称为兴奋型神经、小脑皮层的细胞（purkingje）被叫做抑制型神经细胞的原因。更为重要的是，这些神经键功能有固定不变的，也有根据条件变化的可塑性的。神经键的可塑性赋予神经以存储元器件的特性。

神经网络研究是以大脑皮层和/h脑皮层为中心展开的。大脑皮层1mm³所包含的神经元约10⁵个。在这些神经元之间形成的神经键总数达10⁹，这表明要完全了解神经网络之难。另一方面，较之大脑，小脑的神经网络较简单，因此，对它的神经网络的了解日益加深，甚至提出了理论模型。特别引人注目的是：进入小脑皮层的信息被颗粒细胞中转，经蒲肯野（Purkwgje）细胞外传的途径中，有长期压抑型可塑性神经键，与学习、自组织功能有关。作为小脑皮层理论模型提出的有感知机型、适应选通器型。海马区是大脑皮层的一部分，已知那里存在着与记忆有关的神经网，进行了许多研究，仍无明确结论。

神经网的长期增强及长期抑制机制与脑的信息处理特征——自组织功能密切相关。对这些分子机制的了解很快，已认识到海马区出现的可塑性神经键会长期增强。但其机制有神经传感物质释放量增大说和传感物质接收部位增加说两种。林克（Lynok）等人认为，长期增强的原因在神经键的后膜部。后膜部的肌动蛋白丝等的膜内细胞骨骼因活动电位的高频传递而遭破坏，藏在旗内的接受部位露出，从而增大了神经传感物质接受部位的数目，小脑皮层的可塑性神经键显示出长期抑制性来，不过其分子机制尚不清楚。

与脑的科研相适应，另一个中心是研究作为功能元件的神经及作为功能单元的神经网络。能发现神经功能的元件叫神经元件。现阶段的目标与其说是面向作为VLSI的神经功能，莫如说是面向单一神经键的功能。篠原等人制成导电性高分子薄膜片，用电刺激神经键后端，发现可以释放神经传感物质；田尾本等人发现利用铅酞菁染料薄膜的电气特性，可以仿真神经键结合的可塑性。这些试验要实现更高级功能的神经键尚需时间。

合成神经键或神经本身就不容易，因此展开了对神经和电子相结合的研究。据报道，杰林斯基等人在硅片上培养了神经细胞，详情不甚明了。神田、川名等人则开发了沿用半导体加工技术形成的玻璃板上的图纹培养神经的技术。相泽等人则发现，以神经生长因子（NGF）分化PC₁₂细胞，利用延伸神经状突触，能电控突触方向。这些研究是为了实现在人工基板上设计神经网。如果把能接受神经刺激及兴奋信息的元件集成到人工基板上，就能同神经网络通信。

［電子情报通信学会志（日）1992年第75卷第4期］