Катерина Никитина
Чертоги разума
Как работает память, какие механизмы помогают нам запоминать и где хранятся наши воспоминания

В 1953 году молодому мужчине Генри Моллисону, который с раннего детства страдал эпилепсией, была проведена операция, в результате которой его жизнь кардинально изменилась. В ходе операции хирург полностью удалил 27-летнему Моллисону гиппокамп, так как к тому времени эпилепсия перешла в довольно тяжелую стадию и были необходимы радикальные методы лечения. Наблюдения за Моллисоном дали удивительные результаты: больной помнил все, что происходило с ним до момента удаления гиппокампа, но не мог запоминать новое.

Этот случай привлек большое внимание ученых к проблеме памяти и помог сделать первый шаг на пути к глобальным открытиям в нейронауке. Проект Fleming разобрался вместе с учеными в том, как же на самом деле может быть устроена наша память.

Память играет крайне важную роль в жизни человека. Очевидно, что без памяти мы не смогли бы полноценно существовать в обществе людей. Скорее всего, мы бы погибли гораздо раньше в процессе эволюции: наши предки не могли бы запоминать, обучать других и обучаться самим тому, что в окружающем их мире опасно и как этого можно избежать.

От древних греков до наших дней

Людей с давних времен интересовал такой феномен, как память. Еще древнегреческие философы пытались ответить на вопросы, где расположена память, от чего зависит ее объем и что она из себя представляет. Парменид считал, что память — это смесь тепла и холода: если мы взбалтываем эту смесь, происходит забывание, а если же эта смесь находится в покое, то человек обладает отличной памятью. Диоген предполагал, что память — это равномерное распределение воздуха в теле, и при изменении этого распределения происходит либо запоминание, либо забывание. Платон же выдвинул теорию, что это нечто, похожее на воск, в котором отпечатываются все наши впечатления и эмоции. Ученик Платона, Аристотель, считал, что запоминание связано с движением крови по организму, а забывание происходит в результате замедления ее движения. Также он сформулировал идею ассоциаций как основного механизма возникновения образов без видимых внешних раздражителей.

Другая древняя школа, римская, была солидарна с Платоном и «восковой» теорией. Новую для того времени концепцию предложил римский философ и врач Гален, который рассматривал память как результат движения жидкостей. Он предположил, что память локализуется в мозге, где и происходит их выработка.

Со временем человечество накапливало научные знания и открывало новые способы исследования памяти, и, следовательно, появлялись новые теории. Английский мыслитель Девид Гартлив XVIII веке предположил, что в мозгу существуют вибрации и новые впечатления их изменяют, после чего вибрации опять становятся прежними, но если впечатление возникает опять, то на возвращение в прежнее состояние требуется уже больше времени. В итоге это приводит к закреплению вибраций в новом состоянии – образуется след памяти. В ХХ веке эта теория нашла частичное подтверждение в нейрофизиологических исследованиях – эффект реверберации нервного импульса в замкнутых цепях нейронов. В XIX веке французский физиолог Пьер Жан Мари Флуранс предположил, что мозг действует как единое целое, и память расположена во всех его частях, а не в каком-то одном месте.

image03

Экспериментальному изучению памяти в конце XIX века положил начало немецкий психолог Герман Эббингауз. Его труд «О памяти» является первой попыткой применения экспериментальных методов исследования к изучению памяти. Эббингауз производил на себе опыты заучивания и воспроизведения материала, избрав для этого бессмысленные ряды слогов. Он проводил опыты в течение двух лет. Их главнейшим результатом стало создание «кривой забывания», которая показывает, как долго хранится в памяти запомненная однажды информация.

 

Что такое память

Существует множество определений того, что же такое память. С точки зрения психологии, память – это следовая форма психического отражения прошлого, заключающаяся в запоминании, сохранении и последующем воспроизведении или узнавании ранее воспринятого. Физиология рассматривает память как сохранение информации о раздражителе после прекращения его действия. Если же рассматривать это понятие более глобально, то память — это одно из свойств нервной системы, заключающееся в способности какое-то время сохранять информацию о событиях внешнего мира и реакциях организма на эти события, а также многократно воспроизводить и изменять эту информацию. Память присуща всем живым организмам, которые имеют достаточно развитую центральную нервную систему. В зависимости от степени развития, у различных представителей животного мира память проявляется по-разному: от простых рефлексов, свойственных кишечнополостным, до гораздо более сложных проявлений нервной деятельности, свойственных птицам и млекопитающим.

Физиологической основой памяти являются следы нервных процессов, сохраняющихся в коре. Любой нервный процесс, будь то возбуждение или торможение, оставляет свой след в виде определенных функциональных изменений, которые в случае повторного раздражения облегчают течение соответствующих нервных процессов.

Нейрофизиологи называют такие следы “энграммами”. Энграмма — это след памяти, сформированный в результате обучения. С точки зрения науки, энграммы — это биохимические и биофизические изменения в мозге, появившиеся в результате внешнего воздействия; благодаря им мы способны хранить информацию. Существование энграмм — это одна из множества современных теорий, связанных с механизмами памяти, однако у данной теории довольно много научных оснований и, вследствии этого, приверженцев среди ученых.

image04

На основе теории энграмм строится гипотеза консолидации следа памяти. Консолидация — это процесс, приводящий к закреплению энграммы, который реализуется засчет реверберации — многократного циркулирования импульса по замкнутым цепям нейронов. Центральные понятия данной гипотезы — это кратковременная и долговременная память. Согласно мнению ученых, при фиксации информации происходит переход с одной формы энграмм на другую.

Ранее считалось, что след памяти в своем развитии проходит два этапа: сначала этап кратковременной памяти, затем долговременной. Благодаря реверберации след сохраняется в кратковременной памяти на небольшой промежуток времени (предполагалось, не больше нескольких минут). Нейрофизиолог Дональд Хебб высказал предположение, что в процесс обучения вовлекаются только определенные нейроны, которые при многократном повторении одного и того же стимула формируют устойчивые замкнутые “клеточные ансамбли”, по цепи которых постоянно проходит электрический импульс, в результате которого происходят морфофункциональные и биохимические изменения синапсов (консолидация). При многократном использовании одних и тех же синаптических контактов происходит улучшение проведения импульса и формирование специфических белков.

В том случае, если процесс реверберации импульса будет прерван или предотвращен, переход энграммы из кратковременной памяти в долговременную окажется невозможным.

Данная гипотеза находит экспериментальное подтверждение. В опытах с использованием методов экспериментальной ретроградной амнезии (когда человек забыает о том, что предшествовало травмирующему событию) было установлено, что в фазе кратковременной памяти энграмма неустойчива: ее можно разрушить, например, электрошоком. Это происходит из-за того, что прерывается процесс реверберации и, в следствии этого, образование энграммы.

Но у этой гипотезы есть и недостатки.

Главным из таких недостатков является феномен восстановления памяти. Несмотря на действие электрошока, в некоторых случаях не происходит уничтожение энграмм, а появляется феномен спонтанного восстановления памяти. Память человека начинает восстанавливаться.

Ученые сумели разработать методы, с помощью которых можно восстановить след памяти после воздействия на участок мозга электрошоком. Они основаны на воздействии на мозг различными по силе электрическими импульсами до и после проведения эспериментальной ретроградной амнезии. Эти опыты доказали, что имеет место еще одна форма существования энграмм, третья, которая не может быть воспроизведена какое-то время после воздействия амнестического агента. Таким образом ученые пришли к выводу, что стирания энграмм не происходит, а проявляется лишь их временное подавление.

Почему ученым так интересны энграммы? Существует множество носителей информации — бумажные, электронные — и все они представляют собой аналоги энграмм. Однако наш мозг гораздо более сложно устроен и гораздо менее изучен, чем любой из существующих ныне процессоров. Мы способны не только хранить информацию, но и умеем в нужный момент воспроизвести необходимое воспоминание. Таким образом, изучив процессы кодирования информации, ученые надеются приблизиться к пониманию того, как же работает наша память.

Впервые теория о том, что отдельные участки мозга могут хранить воспоминания, появилась в результате эксперимента, во время которого больному эпилепсией стимулировали электрическими разрядами различные участки мозга. При стимулировании височной доли у больного начинали появляться яркие воспоминания. При повторном стимулировании этого участка воспоминание повторялось, что навело исследователей на мысль о поисках подобных участков коры с воспоминаниями.

При восприятии внешних раздражителей происходит сложное взаимодействие многих нервных клеток в различных участках коры больших полушарий головного мозга, между ними устанавливаются связи. Благодаря этим временным связям и возможен процесс памяти.

image05

При этом не только звуки, зрительные образы, запахи и тактильные ощущения (то есть раздражители первой сигнальной системы) могут вызывать описанные нервные процессы. Слова, раздражители второй сигнальной системы, так же способны провоцировать образование связей между нейронами. Однако в обоих случаях установившиеся временные нервные связи не остаются неизменными. В процессе жизнедеятельности они изменяются, вступают в новые связи, перестраиваются под влиянием опыта.

Память включает в себя три отдельных, однако тесно связанных между собой процесса: кодирование информации, ее хранение и воспроизведение. Кодирование информации необходимо для образования уже упомянутых «следов памяти».

Существует деление памяти на сенсорную, кратковременную и долговременную. Сенсорная память обеспечивает краткое удержание стимула для того, чтобы мы успели запечатлить его и осознать. Кратковременная память (КП) представляет собой кладовую с ограниченной вместимостью, которую можно оценить с помощью задач на запоминание чисел. Большинство людей способно удерживать в памяти около 5-9 элементов, а их объединение позволяет запомнить даже больше. Без повторения такая информация сотрется из памяти через несколько минут. Долгосрочная память (ДП) более стойкая – несомненно гораздо более вместимая кладовая, содержащая все наши знания о мире и воспоминания о прошлом. Однако из долговременной памяти сложнее воспроизводить воспоминания: необходим такой же сигнал, как и тот, при котором информация была закодирована в ДП.

Где хранится память

Точный ответ на этот вопрос никто до сих пор не может дать. Считается, что в процессах запоминания участвуют почти все структуры мозга, однако ученые выделяют в головном мозге несколько особенно важных в отношении памяти зон.

В процессе запоминания принимают участие различные структуры мозга, которые можно разделить на общемозговой уровень (в него входит ретикулярная формация, гипоталамус, таламус, гиппокамп и лобная кора) и региональный уровень (все отделы коры, кроме лобной).

image07

Существует множество систем, каждая из которых отвечает за свой вид памяти. Известно, что височная кора отвечает за запоминание и хранение образной информации, потому что находится рядом со зрительным центром. Большую роль играет гиппокамп. Гиппокамп — это парная структура, расположенная в центре височных отделов полушарий. Правый и левый гиппокампы связаны между собой нервными волокнами. Гиппокамп принадлежит к одной из наиболее старых систем мозга — лимбической, что обуславливает его многофункциональность. Большинство исследователей согласны с тем, что гиппокамп связан с памятью, но механизм его работы еще не ясен.

Существует теория «памяти двух состояний» о том, что гиппокамп удерживает информацию в бодрствовании, и переводит ее в кору больших полушарий во время сна. Еще одной функцией гиппокампа является запоминание и кодирование окружающего пространства (пространственная память). В 2014 году группа ученых получила Нобелевскую премию за открытие в гиппокампе крыс клеток, отвечающих за пространтсвенную ориентацию. Они активируются всякий раз, когда необходимо удержать в фокусе внимания внешние ориентиры, определяющие поведение.

При поражении гиппокампа возникает синдром Корсакова — заболевание, при котором больной при сравнительной сохранности следов долговременной памяти утрачивает память на текущие события. Уменьшение объема гиппокампа является одним из ранних диагностических признаков при болезни Альцгеймера.

Гиппокамп служит местом встречи условных и безусловных стимулов, участвует в процессах консолидации. Он определяет, что нужно запомнить в данный момент, а что неважно – это было доказано в опыте, в котором при удалении гиппокампа больной терял способность к запоминанию. Несмотря на неспособность к восприятию новой информации, Генри Моллисон сумел обучиться игре на музыкальных инструментах и некоторым компьютерным играм, что приписывают моторной памяти, так как каждый раз Моллисону приходилось заново разбираться в том, как играть в данную ему игру. Он обретал новые моторные навыки, но не помнил, как он их приобрел. Человек, который позволил ученым совершить открытия в области нейронаук, а в частности изучить роль гиппокампа, скончался в 2008 году в возрасте 82 лет, хотя сам он считал, что ему по-прежнему 27.

Помимо консолидации гиппокамп отвечает за воспроизведение информации под влиянием определенных стимулов, способствует образованию новых связей между нейронами.

В мозге так же существуют структуры генетической памяти, локализованные в таламогипоталамическом комплексе. Здесь находятся центры инстинктов — пищевые, оборонительные, половые, центры удовольствия и агрессии, центры эмоций (страха, тоски, радости, гнева и удовольствия). В двигательной зоне записаны позы, мимика, защитные и агрессивные движения.

Лимбическая система является зоной подсознательно-субъективного опыта человека. Здесь хранятся эмоциональные установки, устойчивые оценки, привычки. В лимбической системе локализована долговременная поведенческая память.

image06

В неокортексе (новой коре) хранится все, что связано с сознательно-произвольной деятельностью. Лобные доли мозга — область словесно-логической памяти, где чувственная информация трансформируется в смысловую.

Теменные доли отвечают за запоминание простых задач. Височные доли хранят долговременные воспоминания. Миндалевидное тело воспроизводит воспоминания об эмоциональных событиях.

 

Память на уровне клеток

Главная клетка памяти — это нейрон. До недавнего времени ученые полагали, что ведущую роль в механизмах памяти играют отростки нервных клеток, однако сейчас главной частью клетки в процессах памяти считается ее тело.

Для изучения механизмов памяти последние несколько десятков лет ученые прибегают к помощи моллюсков.

Почему именно моллюски стали объектом исследования? Некоторые нервные клетки у моллюсков очень крупные, миллиметрового размера, то есть они видны невооруженным глазом. Это упрощает проведение опытов и открывает большие возможности для исследователей. Вместе с этим, для существ с такой примитивной нервной системой, у моллюсков довольно сложное поведение.

image00

Благодаря кальмару Джон Эклс получил в 1963 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытия, касающиеся ионных механизмов возбуждения и торможения в периферических и центральных участках нервных клеток. Изучая деятельность мозжечка, контролирующего координацию мышечных движений, Эклс пришел к выводу, что в мозжечке торможение играет особенно важную роль. В 2000 году улитка аплизия помогла Эрику Кендалу получить премию за сделанное с ее помощью открытие: кратковременная память обусловлена фосфорилированием белков, образующих в клеточных мембранах каналы, через которые могут проходить ионы кальция и другие ионы, участвующие в передаче нервного импульса. А долговременную память обеспечивает синтез новых белков, запускаемый в результате воздействия сильных стимулов. Эти белки изменяют строение синапса и его чувствительность к последующим стимулам. После успешных опытах на улитках Кендал решил проверить свою теорию на мышах и нашел точно такой же механизм, как и у аплазии.

Не только Кендал использовал аплизий для своих исследований. Ученые Калифорнийского университета Лос-Анджелеса подвергли сомнению широко распространенное мнение о том, что долговременная память хранится в мозгу в синапсах. Для подтверждения своих догадок они провели ряд экспериментов на знаменитых улитках.

Ранее считалось, что процессы памяти обусловлены синаптическим сообщением между нейронами с помощью особого вещества — серотонина, одного из главнейших нейромедиаторов, так же называемого “гормоном счастья”. Серотонин выполняет множество важнейших функций, однако участие в механизмах запоминания, согласно новейшим исследованиям, не входило в их список.

Исследователи воздействовали на аплизий электрическим током, вызывая у них таким образом сгибательный рефлекс, который как раз и является проявлением долговременной памяти. Электрический шок вызывал выделение серотонина, который, в свою очередь, формировал синаптические связи, порождавшие и сохранявшие воспоминания.

Если выделение серотонина на первом этапе эксперимента нарушалось, то происходило и нарушение памяти.

image02

Слудеющий этап эксперимента проводился с помощью чашки Петри, куда поместили нервные клетки аплизий. При добавлении серотонина формировались новые синаптические связи, память сохранялась. Если же сразу вслед за серотонином в чашку добавляли ингибитор, мешавший выделению белков, то синаптические связи не формировались, память нарушалась. Если же ингибитор вводился через двадцать четыре часа, то синаптические связи продолжали развиваться, и память не нарушалась.

Ученые продолжали эскпериментировать с серотонином и обнаружили, что если добавить к нейронам в чашке Петри две порции серотонина с интервалом в 24 часа, а сразу после этого ввести белковый ингибитор, то синаптические связи и воспоминания оказывались стертыми. При подсчете оставшихся синаптических связей оказалось, что их количество вернулось к уровню, существовавшему до начала эксперимента. Выяснилось, что и среди исчезнувших, и среди сохранившихся связей были как новые, так и старые. Почему так происходит и что определяет сохранность связей, никто на данный момент не знает.

При проведении этого же эксперимента с живым моллюском выяснилось, что хотя часть синаптических связей исчезла, само воспоминание об электрическом шоке у моллюска сохранилось. Отсюда и был сделан важнейший вывод: воспоминания хранятся вовсе не в синапсах, а в каких-то других частях нервной системы. Ученые пока не могут с точностью определить где, но есть предположение, что за долговременную память отвечают ядра нейронов. Это дает большую надежду людям, больным Альцгеймером и их близким: если воспоминания хранятся не в синапсах, а в нейронах, то пока живы нервные клетки, воспоминания можно возродить.

Еще одним интересным феноменом в мире нейрофизиологии является “нейрон бабушки”. Впервые этот термин использовал нейробиолог Джерри Летвин в 1969 году во время беседы со студентами. Он сказал: «Если мозг человека состоит из специализированных нейронов, и они кодируют уникальные свойства различных объектов, то, в принципе, где-то в мозге должен быть нейрон, с помощью которого мы узнаем и помним свою бабушку». Этот термин прижился в науке, однако есть и другие варианты названия этого нейрона — «нейрон Монро», «нейрон Холли Берри», «нейрон Эйфелевой башни» и т.д.

Теория “нейрона бабушки” была подкреплена исследованиями 2005 года, во время которых невролог Кристоф Кох из Калифорнийского технологического института и профессор нейрохирургии Ицхак Фрид из университета Калифорнии в Лос-Анджелесе установили, что признанием той или иной знаменитости в мозге заведуют отдельные клетки.

Нейроны активировались не только при воздействии соответствующего визуального стимула, но и при произнесении вслух названия объектов и в том случае, если испытуемый сам думал о них. Несмотря на то, что открытие «нейронов бабушки» не сильно помогло в понимании механизмов узнавания, их нахождение проложило дорогу к новым опытам, результаты которых, возможно, позволят ученым ответить на вопрос “как работает наша память?”.

Нейронаука — это обширная взаимосвязанная сеть дисциплин, которая включает в себя не только такие науки, как физиология и биохимия, но и информатика, инженерия, лингвистика, медицина, физика, философия и психология. Развившись из нейробиологии, это научное направление является на данный момент одним из самых продвинутых и захватывающих. Благодаря ученым, которые изучали и изучают нейроны моллюсков, воздействуют на мозг электрическими импульсами, а так же совершают множество других сложнейших операций над мозгом подопытных животных, в ближайшем будущем произойдет масса открытий, которая позволит нам по-новому взглянуть на нашу нервную систему, понять, как же все-таки работает наша память, а может быть и узнать, какие еще возможности скрывает наш мозг.

В наши дни накоплен немалый объем научных знаний, однако единой картины о процессах запоминания пока нет. Возможно, в результате дальнейшего развития науки, ученые смогут изобрести способ, с помощью которого у нас будет возможность понять этот сложный процесс.


Если вы нашли опечатку, выделите её и нажмите Ctrl+Enter


Понравилась статья? Подпишитесь!

Технология голода

Подробный рассказ поведения организма человека при отказе от пищи на длительное время.

Сомнительное наследство

История возникновения, развития и разоблачений теории телегонии