Бурное творчество памяти

Бурное творчество памяти

Александр Механик

Известный специалист по нейрофизиологии Павел Балабан утверждает, что человеческую память можно стирать и записывать: наш мозг одновременно структурирован и пластичен, а нейронная сеть иерархична

Рисунок: Константин Батынков

О природе памяти размышляли еще древние греки. В диалоге «Теэтет» Платон вкладывает в уста Сократа метафору памяти как воскового отпечатка, которая на многие века стала ее самым популярным образом.

Проблеме памяти отдали должное и христианские мыслители в Средние века. В сочинениях Августина Блаженного память превращается в главную сокровищницу души и разума: жизнь души, по Августину, невозможна без памяти.

В начале Нового времени, когда главными науками были механика и гидравлика, устройство мозга представлялось как сложная гидравлическая система труб и клапанов.

По мере развития науки на протяжении XVIII и XIX веков метафоры разума и памяти постепенно менялись. Сначала мозг представляли телеграфной сигнальной системой, а в начале ХХ века — телефонной станцией.

Появление в конце 1940-х годов компьютеров дало толчок поиску новых аналогий и метафор, тем более что компьютеры действительно выполняли работу, которая раньше была под силу только человеческому мозгу. Это нашло отражение даже в языке создателей компьютеров: блок хранения информации в цифровой ЭВМ фон Неймана был назван памятью .

Появились утверждения, что человеческая память — это всего лишь менее совершенный вариант компьютерной памяти и чтобы понять, как работает наш мозг, следует больше сил отдавать исследованию и конструированию компьютеров.

Но оказалось, что создание все более сложных и эффективных компьютеров не ведет к пониманию биологических систем. Стало ясно, что, как подчеркивает известный английский нейрофизиолог Стивен Роуз, сравнение мозга с компьютером несостоятельно, потому что мозг работает не с информацией в компьютерном понимании этого слова, а со смыслом, или значением. Чтобы понять, как работает мозг, нужно было идти не от моделей, а изучать алгоритмы его работы и биологические основы нейрофизиологии. Объяснить механизмы функционирования мозга, в частности памяти, стало возможно только в результате развития генетики и открытия «двойной спирали». Многие специалисты считают, что исследования принципов работы мозга и биологии разума должны сыграть в первой половине XXI века такую же роль, какую исследования генов и химии жизни сыграли во второй половине XX века, потому что они создают общую естественнонаучную платформу для понимания процессов и результатов человеческой интеллектуальной деятельности.

О последних достижениях физиологии памяти в мире и в России «Эксперт» попросил рассказать директора Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, члена-корреспондента РАН Павла Балабана .

— Ваш институт занимается проблемами памяти. Что это значит?

— Это значит исследовать, как мозг организовывает наше поведение. Потому что память — это адаптивная функция поведения. Приспосабливаясь к окружающему миру, мы запоминаем факты, модели поведения — это облегчает выживание. Память — часть этого процесса. В нашем институте есть два больших направления: одно изучает механизмы сознательной деятельности человека, сознания как такового. Есть чисто фундаментальные лаборатории, например лаборатория Алексея Михайловича Иваницкого, где пытаются понять, что такое сознание. Чем животное, грубо говоря, отличается от человека. Ведь зачатки сознания, именно зачатки, совершенно точно есть у животных. И есть прикладные лаборатории, где изучаются проблемы сознания в клинических условиях. Они находятся в Институте нейрохирургии имени Бурденко, в других клинических учреждениях Москвы. Там исследуются механизмы работы мозга с диагностическими целями. Примерно две трети института занимается изучением на животных моделей патологий мозга, в том числе с нейродегенерацией, например болезней Альцгеймера, Паркинсона.

Оказывается, нейродегенеративные заболевания имеют общие корни, общие механизмы и, похоже, общие молекулярные каскады реакций, в результате которых они возникают. И это внушает надежду: если мы поймем причины хотя бы одной такой болезни, то сможем как-то компенсировать довольно много нейродегенеративных заболеваний, на сегодня являющихся одной из основных проблем медицины. В истории человечества нет ни одного случая излечения подобных заболеваний. Поэтому исследования мозга на Западе сейчас самые приоритетные. Евросоюз принял специальную программу по нейронаукам. В России традиционное уважение к нашей науке осталось только в учебниках, где пишут про Ивана Петровича Павлова, но отдельного финансирования нейронаук нет. На молекулярную биологию средства дают охотно. Но молекулярные биологи не любят заниматься мозгом: сложно.

Поэтому мы сами открыли лабораторию молекулярной нейробиологии. Насколько я знаю, это единственная в России такая лаборатория в физиологическом учреждении.

— Вы сказали, что занимаетесь сознанием. А что такое сознание с точки зрения нейробиологии?

— По образованию я специалист по высшей нервной деятельности, но что такое сознание — для меня загадка. У Алексея Михайловича Иваницкого есть такое определение: «Сознание человека есть, по существу, его жизнь, состоящая из бесконечной смены впечатлений, мыслей и воспоминаний». Самое распространенное определение: сознание — это противоположность бессознательному состоянию. Довольно глупо: по кругу получается. Но всем понятно, что бессознательное состояние легко дифференцировать. Все остальное — сознательное. По сути, считается, что сознательное состояние — это когда человек или животное выделяет себя из внешней среды. Хотя для животных характерно полное слияние с внешней средой, они себя не видят со стороны. Поэтому в зеркале животные воспринимают себя как внешнюю среду.

— То есть они не узнают себя в зеркале?

— Не узнают. Большинство. Некоторые особи почему-то могут это делать. Может быть, они самые умные. Говорят же, что умная ворона гораздо умнее глупой собаки. Действительно, это так, есть исключительные врановые птицы. Дети где-то с трех-четырех лет себя начинают узнавать в зеркале, то есть они выделяют свое существование как отдельное — считается, что это и есть появление сознания. Но это все довольно зыбко, непроверяемо.

— « Все жалуются на свою память, но никто не жалуется на свой ум», гласит афоризм Ларошфуко. А как связаны память и ум? Вы же, наверное, отделяете их при изучении?

— Проблема в том, что ум — это не научное понятие, его нельзя измерить. Измерить можно только способность запоминания.

— А что же измеряет коэффициент IQ?

— Это точно не ум, это тренированность. Все тесты рассчитаны именно на тренировку, в том числе памяти. А ум — понятие довольно расплывчатое, так же как мысль, разум, искать их в мозгу абсолютно бесполезно. Это то же самое, что искать в радиоприемнике голос, который из него вещает.

— Значит, Войно- Ясенецкий, хирург и священник, был прав, когда говорил: « Я много раз оперировал мозг, но никогда не видел там ума»?

— Да-да. Ум увидеть невозможно, это порождение работы мозга. А память, именно память, она как-то кодируется в мозге, изменение состояния памяти можно наблюдать в конкретных материальных изменениях — молекулярных, белковых. То есть для памяти можно найти какие-то корреляторы. Сейчас считается, что основной коррелятор памяти — изменение эффективности связей между нервными клетками в конкретных местах, а информация — процесс активации этих связей. Как в радиоприемнике активируются его детали, и на выходе получается музыка. Так же, «на выходе», у человека получается разум, мысль, какое-то действие, активность. Но как нельзя сказать, что музыка находится в приемнике, так нельзя сказать, что в мозге находится мысль. А качество информации и действия зависит от эффективности связей в мозгу.

Поскольку наша память носит долговременный характер, ясно, что в ее основе лежат какие-то механизмы, которые могут изменяться надолго и, соответственно, определять качество памяти. Основная проблема в том, что все белковые молекулы нашего организма не живут больше трех-четырех дней — они разлагаются на составляющие и замещаются новыми. И если память хранится в каких-то молекулах, то через несколько дней они исчезают. А память, как известно, сохраняется годами, десятилетиями. То есть в мозгу должен быть механизм самоподдержания памяти, какая-то перезапись на другие молекулы. И это самая большая загадка, которая до сих пор еще окончательно не решена. Лишь в последние пять-шесть лет наметился ответ на вопрос, что же сохраняется в мозге, и показан возможный молекулярный механизм самоподдержания памяти. Оказалось, что хотя появившиеся в результате обучения белковые молекулы и разрушаются, они успевают за время своей короткой жизни самовоспроизвестись. То есть изменение, произошедшее в мозгу в процессе запоминания, сохраняется. На сколько? Пока экспериментально можно показать, что буквально на несколько месяцев.

Директор Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, член-корреспондент РАН Павел Балабан

Фото: Виктор Зажигин

— Как же долговременная память?

— Никто не знает. Даже гипотез пока толком нет.

— А прионоподобные белки, на которых, как утверждает нейробиолог Эрик Кандель в своей книге « В поисках памяти», основана долговременная память?

— Это одна из гипотез, она, скажем так, мало доказана. Роль прионоподобных белков непонятна. Они действительно способны превращать гомологичные им нормальные клеточные белки в себе подобные, то есть воспроизводиться, и концентрируются именно в синаптических контактах, но как они влияют на эффективность синапсов, пока не установлено. На сегодня все больше данных, что прионоподобные белки связаны с доставкой рецепторов в мембрану определенных белковых молекул, а чем их больше в определенных местах, тем выше эффективность связи между клетками. Американский нейробиолог Тодд Сэктор сообщает о другом возможном механизме — атипичном ферменте, который работает постоянно и способен самовоспроизводиться. То есть если его количество увеличилось в каком-то одном синаптическом контакте, то он самовоспроизводится именно в нем и остается надолго, если не навсегда. И оказывается, этот фермент контролирует многие другие белки, в том числе прионоподобные. Из сочетания этих двух гипотез, возможно, и родится ответ на вопрос, как кодируется память.

— Эффективность связи, собственно, и есть некое отражение памяти?

— По сути дела, да. Чем она выше, тем данный контакт играет бо?льшую роль, тем больше вероятность, что информация пойдет через него. Но почему проблема настолько сложна и пока не поддается каким-то измерениям, вычислениям? Потому что у нас сто миллиардов нейронов, и каждый из них образует десять тысяч контактов. Изменения в мозгу при обучении происходят в нескольких тысячах контактов. Как их найти? Или как направленно изменить конкретные контакты, чтобы посмотреть, как при этом изменится память и поведение субъекта исследования? Кстати, адресная доставка веществ, лекарств в нужную клетку — самая главная проблема медицины. Ведь если бы такая доставка веществ к больным клеткам, например раковым, существовала, была бы решена проблема компенсации патологий. Сейчас мы очень активно занимаемся адресной доставкой с помощью вирусов. В случае удачи можно будет корректировать наш мозг. Медицинские перспективы — фантастические.

А один из важнейших вопросов изучения памяти — пластична она или нет, можно ли ее изменить.

— Что значит изменить память?

— Стереть старую, записать новую. Оказывается, есть способ, позволяющий искусственно стереть память. Это одно из открытий, сделанное в лаборатории нашего коллеги, руководителя отдела нейронаук в Курчатовском институте Константина Анохина.

Когда мы вспоминаем о чем-то или попадаем в ситуации, напоминающие нам о чем-то, то память об этом событии, если оно ключевое, не расплывчатое, а очень конкретное, становится доступной для стирания, что экспериментально очень убедительно показано на всех животных, от моллюсков до человека. Память можно заблокировать, если заблокировать синтез соответствующего белка, а без белков новая память не образуется, и вы на следующий день ничего не вспомните.

Сейчас ведутся очень интенсивные исследования этого феномена — он дает подход к самым основам того, что такое память, как ее можно изменить, как она записывается, точнее, как она формируется. Хотя «формирование памяти» и «извлечение воспоминаний из памяти», я считаю, термины довольно неубедительные.

— А почему?

— Термин «извлечение» идет от самой старой теории памяти, еще от Пифагора. Есть бочка, куда складываются глиняные таблички с клинописью: таким образом в процессе обучения формируется некий каталог, из которого по мере надобности извлекается информация, которую надо вспомнить. Но ничего подобного даже близко нет в нервной системе. Процесс записи и воспроизведения памяти скорее напоминает голографию. Голографическую пластину можно разрушить на семьдесят процентов, но возможность воспроизведения изображения все равно сохраняется. Но и голографическая теория памяти отражает только то, что мозг пластичен и может действительно по частям воспроизвести целое. Как на картине Пикассо мы угадываем образ по каким-то линиям. Правда, каждый угадывает свое, потому что память — процесс творческий.

Есть всякие оптические обманки, когда мы видим не то, что нарисовано, а каждый свое. Исследование памяти частично затруднено именно тем, что для каждого этот процесс уникальный. И каждый раз, вспоминая, мы заново порождаем вспоминаемый образ и заново его запоминаем, в результате происходит регенерация всей ситуации в памяти. Каждый раз мы изменяем ее содержание, изменяем, изменяем… Мы все знаем: если много раз рассказывать об одном и том же событии, а потом сравнить первоначальный рассказ и тот, что будет воспроизведен через несколько лет, то они будут если не совершенно, то во многом разные. Что-то мы додумываем или, наоборот, теряем. Известен эксперимент, когда художников попросили по памяти нарисовать какой-то образ, а потом, не показывая первый вариант, нарисовать его вновь и вновь — например, несколько раз через каждые двадцать пять дней нарисовать одну и ту же египетскую кошку, у которой очень характерный силуэт. Художники считали, что рисуют ровно одно и то же: они же помнят. Но, сравнивая рисунки, можно было увидеть все увеличивающиеся различия.

— Традиционно считается, что каждый участок мозга за что- то отвечает и мозг можно разделить на участки, управляющие теми или иными функциями, в том числе памятью. При этом из некоторых исследований последнего времени складывается впечатление, что в процессе запоминания участвует весь мозг. Все- таки мозг функционально разделен или функционирует как целое?

— Это одна из самых сложных проблем физиологии мозга. С одной стороны, есть локализация. Потому что проводящие пути — отростки нервов, например сенсорные, идут в определенную область мозга. Зрительные, например, поступают в затылок. И именно в соответствующем участке мозга происходит обработка и запоминание соответствующей информации. Но существует и возможность динамической локализации функции. Оказывается, другие части мозга при необходимости берут на себя функции поврежденных участков. Это явление впервые обнаружил нейропсихолог Александр Романович Лурия, работая с пациентами с различными поражениями мозга. Его исследования получили мировое признание. Он показал, что локализация функций может смещаться.

Сейчас наш институт разрабатывает совершенно новый подход, основанный на обратной связи, к компенсации каких-то патологий. Известно, что энцефалограмма снимается при помощи поставленных на мозг электродов. Оказалось, эти электрические сигналы можно использовать для управления внешними объектами. Например, если у человека полностью поражено левое полушарие, то правая рука у него парализована. На нее закрепляют экзоскелетон, сервомоторчики которого управляются сигналами энцефалограммы, полученными от правой, неповрежденной части мозга. И человек просто смотрит на экзоскелетон и пытается заставить его двигаться. И через какое-то время, не очень большое, буквально через часы, какие-то движения ему удаются все лучше и лучше.

То есть представительство парализованной руки появляется в совсем иной области мозга: рука-то есть, механизмы-то есть, не работает лишь «привод». А это означает, что в мозгу образуются какие-то новые пути. Создав новую обратную связь от правой руки на левое полушарие, мы просто помогаем природе. А мозг запоминает новый характер связи. Мы надеемся, что это будет совершенно новый принцип реабилитации, использующий базовые фундаментальные механизмы работы мозга.

— И ум, и память нужны человеку, чтобы в каждой новой жизненной ситуации, используя опыт прошлого, принимать какие- то решения. А как работает мозг, когда человек принимает решения?

— Моя кандидатская 1977 года называлась «Нейроны, принимающие решения», так что работа мозга по принятию решений — это предмет моих многолетних исследований. В человеческом мозгу это устроено достаточно сложно, но процесс принятия решений можно изучать и на низших животных. Я занимался этим на моллюсках. У них есть нейроны, очень крупные, которые управляют процессом втягивания щупальцев при внешнем воздействии. Моей задачей было понять, где принимаются решения. Оказалось, это происходит не в этих нейронах, что было очень неожиданно. Оказалось, в мозгу есть центры, отдельные клетки, их немного, но они есть у человека, у других животных, которые получают информацию абсолютно от всех нейронов, и это и есть центр принятия решений. Более того, они еще подвержены гормональному влиянию. Эти гормональные влияния могут моделировать уровень реакции, от нуля до единицы, которая и определяет поведение. Эти результаты я изложил еще в 1978 году в своей статье «Концепция команды нейронов». И с тех пор все работают по этой модели.

— То есть в мозгу существует какая- то иерархия нейронов?

— Совершенно точно. Один рецептор реагирует только на то, что приходит к нему, остальное его не касается. Нейроны, принимающие решения, расположены глубоко в мозгу, потенциально к ним может поступить абсолютно любая информация, возникающая в ходе обучения. Но чтобы она поступала, в мозгу должен сформироваться соответствующий новый путь, что и происходит, если это нужно для выживания. А такое понимание возникает при неоднократном соответствующем воздействии. Нейроны, ранее не получавшие информацию, после обучения начинают ее получать.

Моллюск в обычном состоянии протягивает щупальца к сладкому соку, а при одновременном и неоднократном воздействии сока и электричества он начинает их отдергивать. При этом нейроны, находящиеся в щупальцах, выделяют соответствующие медиаторы — они модулируют имеющиеся связи, до этого бывшие неэффективными; они становятся эффективными, и в центр принятия решений начинает поступать соответствующая информация. Животное ее понимает и начинает действовать, отдергивая щупальца.

— Это простейшая реакция. У человека зачастую сложнейшая реакция на множество одновременно поступающих факторов. Это означает, что в голове есть некий центр, концентрирующий все эти нейроны принятия решений, или они распределены по голове и каждый сам по себе?

— Трудно сказать. Похоже, что если у улитки это одиночные нейроны, то у высших животных — группы нейронов, кластеры. Причем нейроны в них сходные по функциям и взаимозаменяемые. Если один умрет — ничего страшного. Похоже, такие группы получают всю информацию, и на этой основе происходит принятие решений. Но оно более многоступенчатое, чем у улитки. Все-таки человек очень сложное существо, он может параллельно контролировать множество ситуаций. Мы же и видим, и слышим, и ходим — и все это параллельно. Поэтому единый центр найти очень трудно. Но для каждой отдельной ситуации известно, где какие центры. И пока даже гипотезы нет, как они координируют работу между собой, поэтому и проверять нечего.

— А насколько понятен механизм эволюции мозга при переходе от низших животных к человеку?

— Эволюцию мозга проще проиллюстрировать на примерах. Беспозвоночные животные, которые появились гораздо раньше людей и вообще многих других животных, имеют два типа строения нервной системы. Один — узловой. Есть узлы, и каждый из них контролирует какой-то орган. При такой децентрализации центральный мозг играет очень слабую роль. Крайний случай такой организации встречается у иглокожих, у морских звезд — их нервная система полностью децентрализована. У них каждый луч управляется сам, он даже питается сам. У большинства животных в ходе эволюции произошла централизация мозга, резко увеличилось количество его элементов. Например, осьминог, а это совершенно уникальное животное, имеет центральный головной мозг со слоистой структурой, как у высших позвоночных. В то же время количество нейронов в центральном мозге и в каждом из восьми щупальцев у осьминога одинаковое. И эти щупальца работают с эффективностью, немыслимой у конечностей других животных. Сейчас ученые, особенно те, кто занимается созданием аппаратов для освоения космоса, очень интересуются этим принципом организации управления сложной системой. Потому что тут достигается совершенно уникальная версатильность, то есть способность к выполнению большого многообразия различных функций: с одной стороны, каждая конечность фактически независима, с другой — очень хорошо координируется с другими конечностями и центральным мозгом. Но у тех животных, которые в ходе эволюции вышли на землю, все-таки победила централизованная нервная система, где все управляющие функции сосредоточены в головном мозге. И в нем очень много элементов — нейронов. Прежде всего, видимо, для компенсации возникших при централизации потерь. Так, у улитки тысячи нейронов, у осьминога — миллионы, у позвоночных — миллиарды. По-видимому, это некоторая избыточность, но вряд ли большая. Не знаю, откуда взялось утверждение, что мозг не используется. Это неправда. Работает 90 процентов нейронов, причем даже в самых простых ситуациях. Мы постоянно используем все связи в мозге и почти все области мозга. А млекопитающим сто миллиардов нейронов нужно, видимо, для того, чтобы обеспечить максимальную пластичность мозга, чтобы не возникала такая ситуация, когда человеческая память оказывается переполненной. А у меньших животных эти ограничения есть, и поэтому поведение у них более стереотипное, то есть ограничено неким набором вариантов. И поэтому у них, видимо, не появляется сознание.

Причем исследования последних лет показали, что в ходе эволюции природа много раз изобретала одно и то же. Например, нервная система у беспозвоночных несколько раз появилась абсолютно независимо. Сейчас считается, что нервная система в ходе эволюции возникала восемь раз.

Современные животные — это сохранившаяся до настоящего времени ветвь эволюции, идущая от общего предка, у которого появилась нервная система. Так вот этого общего предка еще не было, а нервная система у животных была, у тех, что не дали своего эволюционного продолжения. И так несколько раз. Потому что природа отбирает самое эффективное.     

Схема

Изучение механизмов формирования памяти на моллюсках