Как работает память человека — просто о сложном. Как работает человеческая память

Ученые пытаются улучшить память человека с помощью электрических импульсов

Вся информация, которая хранится “в голове”, воспринимается нами как нечто само собой разумеющееся. Однако на самом деле механизм памяти настолько сложен, что до конца понять его ученым не удается. Тем не менее практически ежегодно делаются новые открытия.

Фото fb.ru

В мозг более чем двадцати пациентов, больных эпилепсией (именно у них наиболее часто наблюдаются расстройства запоминания), ученые Пенсильванского университета имплантировали в общей сложности по 200 электродов. Затем начали стимулировать центры, отвечающие за память, электрическими импульсами. При этом каждый электрод работал еще и в записывающем режиме, регистрируя до тысячи показателей в секунду. Это помогло не только отследить процесс, но и разработать для каждого пациента индивидуальный алгоритм “лечения”. Результат - запоминание улучшилось на 15%. Пока ученые находятся в самом начале пути. Конечная цель - разработка прибора, который условно можно назвать “кардиостимулятором мозга”. Почему бы и нет?

У всех по-разному

Память - это способность сохранять информацию, а также воспроизводить ее. Она присуща всем существам, имеющим нервную систему, но у каждого вида - свои нюансы. Например, у кишечнополостных - медуз и гребневиков - есть лишь простые суммационные (кратковременные) рефлексы. У членистоногих память - это готовые программы реакций на условия окружающей среды. Головоногие моллюски, птицы и млекопитающие обладают уже вполне приличными способностями к запоминанию. Но самым совершенным механизмом памяти наделены люди. Причем она “завязана” на индивидуальные особенности. Например, уже в детском возрасте можно сказать, преобладает ли у ребенка запоминание образов, ассоциативная или абстрактная память. При этом часто недостатки одного вида памяти могут компенсироваться за счет других.

Такие нервные...

Мозг содержит 86 миллиардов нервных клеток, которые посылают импульсы через особые контакты - синапсы. Японские ученые ввели в человеческий мозг мельчайшие световые частицы и засняли процесс на видео. Чем интенсивнее была работа мысли (например, при решении математических задач), тем активнее становились нейроны. Они двигались все быстрее и непрерывным потоком, напоминая чем-то амеб (род микроскопических одноклеточных простейших). Получается, что широко известное выражение “шевелить мозгами” имеет прямой смысл.

Саму память можно разделить на несколько видов. Первый - непосредственная, которая длится несколько секунд. Обычно вы идете по улице, смотрите по сторонам и тут же забываете, что видели, не так ли? Кратковременная память позволяет нам запоминать что-либо на несколько часов. А вот если информация является крайне полезной, она переходит в долговременный вид памяти, где сохраняется от нескольких дней до всей жизни.

Гигант мысли

Долговременная память формируется примерно через 5-8 часов после поступления важной информации. При этом образуются белки с особым строением молекул, и возникает отдельная нейронная сеть. Когда необходимо что-то вспомнить, происходит вызов “записанного” в разных точках цепи материала и затем его оформление в осмысленный сюжет.

Количество нейронных связей увеличивается в процессе взросления. Так, у маленького ребенка нейроны есть, но связи между ними практически отсутствуют. Они начинают появляться только в процессе познания окружающего мира. Если сравнить мозг человека с компьютером, он мог бы сохранять до 7 миллионов мегабайт. Очень много, однако неизвестен ни один человек в истории, который реально достиг бы таких высот интеллекта (это примерно как вызубрить все книги, имеющиеся в Национальной библиотеке).

С возрастом в мозге происходят естественные изменения - уменьшается количество нервных клеток, связи ослабевают. Отсрочить это время можно. Начинается все с полноценного сна и питания. Например, бедная белками и витаминами пища снижает возможности памяти. А включение в рацион продуктов, богатых магнием, кальцием и глютаминовой кислотой, наоборот, улучшает ее. Плохо влияет на память и малоактивный образ жизни. И, напротив, смена впечатлений, общение с людьми, активный отдых на природе и занятия спортом ей “нравятся”. Вот и получается, что бегом можно убежать не только от инфаркта, но и от склероза.

ЛЮБОПЫТНО

Феноменальную память имел американец Ким Пик - прототип главного героя фильма “Человек дождя”. Он запоминал 98% всей прочитанной информации, причем мог одновременно правым глазом читать правую страницу, а левым - левую в развороте книги. А ведь Ким родился с черепно-мозговой грыжей, повреждением мозжечка и отсутствием мозолистого тела (отдел, который соединяет полушария мозга). Понятное дело, что такие вещи не ведут к одаренности. Однако, как выяснили ученые, случай Кима Пика уникален - нейроны из-за отсутствия мозолистого тела создали новые соединения, что привело к многократному увеличению объема памяти именно за счет патологических структур.

КОМПЕТЕНТНО

Владимир Кульчицкий, академик, заместитель директора по научной работе Института физиологии НАН:

Научные исследования подтверждают, что для нормальной работы мозга и особенно механизмов памяти человека необходим полноценный сон. Ведь вопреки расхожему мнению о сне как о безмятежном покое это как раз одно из наиболее активных состояний нашего мозга. Существует масса примеров (в частности, Дмитрий Менделеев со своей периодической таблицей), когда именно во сне ученым приходили идеи научных открытий. Сальвадор Дали засыпал сидя, держа в руке тяжелый ключ. Как только при засыпании у него ослабевала хватка, ключ выскальзывал и будил его грохотом. Художник считал, что это помогает ему почерпнуть новые мысли и идеи для картин из пограничного состояния между сном и бодрствованием. А сколько существует сказаний о вещих снах!

Вы никогда не задумывались, почему маленькие дети в возрасте до трех лет так много спят? Дело в том, что в первые годы жизни на ребенка обрушивается такой поток различной информации и впечатлений, что мозгу нужно время для его обработки. Чтобы кратковременная память превратилась в долговременную, должны образоваться новые межнейронные контакты, а формирование их лучше всего идет во время “сонной активности” нервных клеток. Если излагать процесс простыми словами, то происходит систематизация (как бы “раскладывание по полочкам”) всего, что произошло с нами в период бодрствования. “Дирижирует” этим участок мозга под названием гиппокамп. Именно он отвечает за то, чтобы информация не только направлялась по конкретному адресу, но и “архивировалась” в соответствующих отделах. Так вот, в случае несоблюдения оптимального режима дня (а в норме у среднестатистического человека сон должен продолжаться как минимум семь часов) данные процессы нарушаются, происходят сбои. И поскольку ошибки имеют свойство накапливаться, это негативно отражается на механизмах памяти в целом, а часто и на здоровье человека.

Впрочем, известны примеры выдающихся личностей, которым якобы для сна нужно было совсем немного времени. Например, считается, что Наполеон Бонапарт спал не более четырех часов. Однако, как мне кажется, эти утверждения верны лишь отчасти. Действительно, какое-то время человек может (в силу жизненных обстоятельств) существовать в экстремальном ритме. Но жить так все время невозможно - мозг просто не выдержит перегрузки. Наблюдения показывают, что такие люди (при всей своей гениальности) живут гораздо меньше остальных. И, как правило, отличаются нестабильной психикой. Кстати, появились научные статьи о связи недосыпания с частотой развития болезни Альцгеймера.

И наоборот, наблюдения за долгожителями показывают, что все они правильно питаются, соблюдают режим дня и ведут активный образ жизни.

Память человека чрезвычайно экономична. Если бы она сохраняла все раздражающие факторы и всю информацию, все повседневные мелочи, то вероятнее всего мозг взорвался бы или же из-за избыточного воздействия раздражителей мы стали бы недееспособными.

Головной мозг дифференцирует и отбирает новую информацию, чтобы иметь возможность работать эффективнее. И этот выбор головной мозг каждого человека делает индивидуально. Память сохраняет только те вещи, которым мы придаем особое значение и которые мы осознанно и эмоционально перерабатываем. Таким образом, чувства играют значительную роль в процессе сохранения информации в памяти . Отвечает за это так называемая лимбическая система, которая, согласно строению головного мозга, располагается непосредственно под корой больших полушарий головного мозга. К лимбической системе, центру чувств и головного мозга, также относится «детектор нового» гиппокамп, с эмоциональной точки зрения оценивающий поступающую информацию. Никакая новая информация, касающаяся каких-либо фактов или биографических воспоминаний, не попадает в долговременную память, не пройдя через лимбическую систему, которая служит фильтром, ищет только нужную информацию, связывает ее с чувствами и затем распределяет ее по коре головного мозга. Чем чаще происходит этот процесс, чем сильнее он эмоционально окрашен, тем быстрее будет выучена эта информация и тем дольше она будет храниться в памяти.

Новизна, значение и интенсивность эмоциональной окраски являются решающими факторами в том, что мы сохраняем в своей памяти. Сильные эмоциональные события обрабатываются иначе, нежели незначительные, посторонние факты воспринимаются хуже, чем личный опыт. Нейтральная информация, такая как обычный школьный материал, должна обрабатываться осознанно, повторяться, преобразовываться, дополняться и просто заучиваться. Действует принцип «First in last out «, означающий: то, что человек выучил в первую очередь, запоминается лучше всего. Свежая информация только после осознанного разъяснения может отложиться на долгое время в память .

Таким образом, выражение «передавать знания» ошибочно. Знания не могут быть в полной мере переданы, а должны быть встроены в память каждого человека посредством его собственной системы нервных соединений. Гёте сказал замечательную фразу: «Необходимо добыть свои знания, чтобы обладать ими!».

То, что наш головной мозг очень экономичен и обладает множеством фильтров, однако, не означает, что наше большое хранилище, наша долговременная память, когда-то может быть переполнена. Кора больших полушарий головного мозга обладает непостижимо большим объемом памяти. И чем больше мы ее насыщаем, тем быстрее и лучше наш мозг может мыслить и запоминать новую информацию.

Моя дочка пошла в первый класс и столкнулась с тем, что правила приходилось заучивать наизусть. Ей это очень тяжело давалось поначалу. Даже если она могла повторить весь текст в первый час после заучивания, то потом часть информации терялась. А я помнила эти правила наизусть ещё со школы.

Тогда мой маленький гений задал вполне логичный и мудрый вопрос: «Почему я не могу вспомнить правило, которое учила сегодня, а ты знаешь его до сих пор?». С ответом я не торопилась – решила изучить теорию и сопоставить с жизненным опытом.

Изучение вопроса я начала с основ. Что же такое память? Где хранится память человека? Какова структура памяти?

Согласно определению, это мыслительный процесс, состоящий из следующих компонентов: запоминание, хранение, воспроизведение и забывание.

Как работает память? Она формируется на протяжении всей жизни и хранит наш жизненный опыт. Физически процесс можно описать возникновением новых связей между огромным количеством нейронов головного мозга.

Процессы в головном мозге не изучены до конца, и учёные продолжают исследования в этой области человеческого организма.

О том, где находится память человека, до сих пор ведутся споры. На сегодняшний день доказано, что за эту часть сознания отвечают следующие участки мозга: подкорковый гиппокамп, гипоталамус, таламус, кора полушарий.

Основными местами хранения являются гиппокамп и кора. Гиппокамп находится в височной доле по обе стороны головного мозга. На вопрос о том, какое полушарие отвечает за память, можно смело ответить, что оба, только правая доля «контролирует» фактические и лингвистические данные, а левая – хронологию жизненных событий.

Появление нейронных связей обусловлено работой рецепторов органов чувств: зрения, вкуса, обоняния, осязания и слуха. Головной мозг фиксирует все электрические импульсы от них, причём наиболее яркие моменты, вызывающие сильные эмоции (например, первая любовь), запоминаются лучше.

Таким образом эмоции человека оказывают влияние на память.

У каждого человека возможно преобладание запоминающего свойства посредством какого-либо органа чувств.

Например, одни хорошо выучивают текст из учебника при чтении, другим лучше услышать текст от другого человека, у третьих отменная память на запахи и так далее.

Различные внешние и внутренние факторы влияют на «качество» нашей памяти. Много причин, вызывающих нарушения этого процесса.

К внутренним причинам относят неправильное обращение с информацией по следующим направлениям:

• запоминание – чтобы информация не забылась, с ней нужно работать;
• помехи – большое количество новой информации приводит к забыванию важной ранее приобретённой информации;
• вытеснение – негативные воспоминания забываются быстрее;
• искажение – запоминание и воспроизведение информации происходит на фоне наших чувств и эмоций, поэтому такая обработка делает данные субъективными;
• ошибки хранения и воспроизведения – если данные запомнились с ошибками или неточностями, или не полностью, то их воспроизведение окажется неверным.

Внешних причин тоже достаточно:

1. Генетические отклонения (например, аутизм).
2. Гормональные нарушения (в том числе, сахарный диабет, патология щитовидной железы).
3. Депрессивные или стрессовые состояния и заболевания (невроз, шизофрения).
4. Истощение организма, вызванное переутомлением, бессонницей, болезнью, плохим питанием, алкоголизмом, курением, приёмом некоторых препаратов (например, бензоди-азепинов).
5. Возрастные изменения (болезнь Альцгеймера).

Особенно пагубно, помимо заболеваний и травм, действует на память увлечение алкоголем. Известно, что даже разовое употребление спиртного приводит к нарушениям, а при алкоголизме происходит разрушение нейронных связей в гиппокампе, нарушение мозгового кровообращения, возникновение авитаминоза.

Всё это приводит к потере способности усваивать новую информацию.

Такие острые состояния, как инсульт и инфаркт, также способны вызвать уничтожение нейронных связей, причём последствия могут быть колоссальными, и для восстановления нужно много времени, сил и терпения. Иногда все попытки являются безуспешными.

В гиппокампе содержится вещество – ацетилхолин, — отвечающее за передачу импульсов от одного нейрона к другому. Недостаток его служит причиной нарушения памяти. Особенно это явление наблюдается в старческом возрасте и вызывает болезнь Альцгеймера.

Структура

Длительное изучение того, как устроена память человека, повлекло создание подробной классификации. Одним из критериев является продолжительность хранения информации. Согласно ему можно выделить следующие виды памяти:

• мгновенная (сенсорная);
• кратковременная;
• оперативная;
• долговременная.

Мгновенная характеризуется тем, что информация фиксируется рецепторами органов чувств, но обработке не подлежит. Она, в свою очередь, делится на иконическую (зрительное восприятие) и эхоическую (слуховое восприятие).

Пример иконического вида – вы видите на улице баннер с рекламой и номером телефона, через секунду вы уже этот номер не вспомните. Эхоический вид можно рассмотреть также на рекламе, но номер телефона вы не увидели, а услышали по радио. Мгновенная память позволяет хранить информацию до 5 секунд.

Кратковременная является последствием однократного восприятия и немедленного воспроизведения. Если взять пример с правилом для первого класса, когда дочка читает его по слогам один раз без повторения. Удержать правило в памяти она сможет на протяжении времени от 5 секунд до одной минуты.

За кратковременную память отвечает гиппокамп. Доказательством является тот факт, что при повреждении гиппокампа (во время оперативного вмешательства, например) человек сразу же забывает только что произошедшее с ним событие, но помнит информацию, накопившуюся до повреждения.

Оперативная память – это то же, что и кратковременная, но информация хранится только в пределах периода её использования. Например, дочка прочитала правило и использовала его для выполнения упражнения из домашней работы, а после забыла.

Этот вид позволяет человеку быстро решать проблему здесь и сейчас и забывать ненужную впоследствии информацию.

Долговременная хранится в коре полушарий мозга. Она развивается одновременно с кратковременной и является её следствием. После многократного запоминания и применения информации, находящейся в пределах кратковременной памяти, происходит её фиксация в головном мозге, а именно в коре полушарий, на длительное время или даже на всю жизнь.

Это пример, когда правило, выученное в первом классе и применяющееся на протяжении 11 лет обучения в школе, запоминается навсегда. Долговременная память требует участия всех ресурсов сознания: психического, чувственного и интеллектуального.

Только осознанная и осмысленная в полной мере информация может занять место в долговременной памяти человека.

Структура памяти упрощённо представляется следующей схемой: запоминание – сохранение – воспроизведение. При запоминании происходит выстраивание новых нейронных связей.

Благодаря этим связям мы вспоминаем (воспроизводим) информацию. Воспоминания могут быть извлечены из долговременной памяти самостоятельно или под воздействием раздражителей на определённые участки головного мозга (например, гипноз).

На продолжительность сохранения информации влияет внимание человека к последней. Чем больше сконцентрировано внимания, тем более длительно информация будет храниться.

Неотъемлемой частью памяти является также забывание. Этот процесс необходим для разгрузки центральной нервной системы от ненужных воспоминаний.

Вывод

Теперь я могу ответить на вопрос дочери:

1. Память представляет собой процесс из нескольких отдельных составляющих. Чтобы запомнить информацию, нужно осмыслить её, много раз повторить и периодически применять на практике. Это обусловлено определёнными свойствами головного мозга и, соответственно, существованием нескольких видов памяти.
2. Важно знать, где хранится память, чтобы понимать, от чего зависит запоминание правила. Она содержится в головном мозге с большим количеством нейронов. Для фиксации информации в коре полушарий необходимо создание прочных нейронных связей.
3. Знание о том, как устроена память, поможет развить её, и получить от этого процесса удовольствие.

Эта часть сознания связана с органами чувств, поэтому можно понаблюдать, как текст лучше запоминается: при чтении или на слух.

Процесс запоминания связан также и с интеллектом: чем больше и качественнее мы учим, тем легче запоминание будет даваться впоследствии.

Успешное запоминание связано с психическим состоянием человека: подавленное настроение может помешать процессу; чем больше положительных эмоций, интереса проявляет человек к информации, тем внимательнее он её изучает, и тем лучше её запоминает.

То есть важно иметь положительный настрой. Для детей можно создать условия игры для привлечения внимания.

Необходимость развития

Устройство памяти человека предполагает взаимосвязь с интеллектом. Развивая её, мы развиваем и интеллект.

Человек, который много времени уделяет запоминанию и осмыслению, становится более внимательным и организованным, у него развиваются все виды мышления, воображение и творческие способности. Кроме того, такая тренировка мозга предупреждает возрастные болезни, связанные с нарушением памяти.

В зависимости от целей тренировки запоминания выделяют три направления использования:

1. Бытовое направление – нужно для устранения забывчивости на бытовом уровне (например, периодическое забывание телефона дома).
2. Естественное – когда тренировка памяти сочетается со здоровым образом жизни, а результаты могут использоваться в любой сфере деятельности человека.
3. Искусственное – это применение мнемотехник, освоение которых позволяет запоминать колоссальные объёмы различной информации.

Неважно, какой способ выберете вы, но, если хотя бы один из них будет изучен, то это уже будет шагом к самосовершенствованию и возможности пойти дальше. Эти бесценные навыки, несомненно, пригодятся в любой сфере жизни, делая вас успешными и счастливыми.

Загадка человеческой памяти — одна из главных научных проблем XXI века, причем разрешать ее придется совместными усилиями химиков, физиков, биологов, физиологов, математиков и представителей других научных дисциплин. И хотя до полного понимания того, что с нами происходит, когда мы «запоминаем», «забываем» и «вспоминаем вновь», еще далеко, важные открытия последних лет указывают правильный путь.

Одна из главных проблем нейрофизиологии - невозможность проводить опыты на людях. Однако даже у примитивных животных базовые механизмы памяти схожи с нашими.

Павел Балабан

На сегодняшний день даже ответ на базовый вопрос — что собой представляет память во времени и пространстве — может состоять в основном из гипотез и предположений. Если говорить о пространстве, то до сих пор не очень понятно, как память организована и где конкретно в мозге расположена. Данные науки позволяют предположить, что элементы ее присутствуют везде, в каждой из областей нашего «серого вещества». Более того, одна и та же, казалось бы, информация может записываться в память в разных местах.

Например, установлено, что пространственная память (когда мы запоминаем некую впервые увиденную обстановку — комнату, улицу, пейзаж) связана с областью мозга под названием гиппокамп. Когда же мы попытаемся достать из памяти эту обстановку, скажем, десять лет спустя — то эта память уже будет извлечена из совсем другой области. Да, память может перемещаться внутри мозга, и лучше всего этот тезис иллюстрирует эксперимент, проведенный некогда с цыплятами. В жизни только что вылупившихся цыплят играет большую роль импринтинг — мгновенное обучение (а помещение в память — это и есть обучение). Например, цыпленок видит большой движущийся предмет и сразу «отпечатывает» в мозге: это мама-курица, надо следовать за ней. Но если через пять дней у цыпленка удалить часть мозга, ответственную за импринтинг, то выяснится, что… запомненный навык никуда не делся. Он переместился в другую область, и это доказывает, что для непосредственных результатов обучения есть одно хранилище, а для длительного его хранения — другое.

Запоминаем с удовольствием

Но еще более удивительно, что такой четкой последовательности перемещения памяти из оперативной в постоянную, как это происходит в компьютере, в мозге нет. Рабочая память, фиксирующая непосредственные ощущения, одновременно запускает и другие механизмы памяти — среднесрочную и долговременную. Но мозг — система энергоемкая и потому старающаяся оптимизировать расходование своих ресурсов, в том числе и на память. Поэтому природой создана многоступенчатая система. Рабочая память быстро формируется и столь же быстро разрушается — для этого есть специальный механизм. А вот по‑настоящему важные события записываются для долговременного хранения, важность же их подчеркивается эмоцией, отношением к информации. На уровне физиологии эмоция — это включение мощнейших биохимических модулирующих систем. Эти системы выбрасывают гормоны-медиаторы, которые изменяют биохимию памяти в нужную сторону. Среди них, например, разнообразные гормоны удовольствия, названия которых напоминают не столько о нейрофизиологии, сколько о криминальной хронике: это морфины, опиоиды, каннабиноиды — то есть вырабатываемые нашим организмом наркотические вещества. В частности, эндоканнабиноиды генерируются прямо в синапсах — контактах нервных клеток. Они воздействуют на эффективность этих контактов и, таким образом, «поощряют» запись той или иной информации в память. Другие вещества из числа гормонов-медиаторов способны, наоборот, подавить процесс перемещения данных из рабочей памяти в долговременную.

Механизмы эмоционального, то есть биохимического подкрепления памяти сейчас активно изучаются. Проблема лишь в том, что лабораторные исследования подобного рода можно вести только на животных, но много ли способна рассказать нам о своих эмоциях лабораторная крыса?

Если мы что-то сохранили в памяти, то порой приходит время эту информацию вспомнить, то есть извлечь из памяти. Но правильно ли это слово «извлечь»? Судя по всему, не очень. Похоже, что механизмы памяти не извлекают информацию, а заново генерируют ее. Информации нет в этих механизмах, как нет в «железе» радиоприемника голоса или музыки. Но с приемником все ясно — он обрабатывает и преобразует принимаемый на антенну электромагнитный сигнал. Что за «сигнал» обрабатывается при извлечении памяти, где и как хранятся эти данные, сказать пока весьма затруднительно. Однако уже сейчас известно, что при воспоминании память переписывается заново, модифицируется, или по крайней мере это происходит с некоторыми видами памяти.

Не электричество, но химия

В поисках ответа на вопрос, как можно модифицировать или даже стереть память, в последние годы были сделаны важные открытия, и появился целый ряд работ, посвященных «молекуле памяти».

На самом деле такую молекулу или по крайней мере некий материальный носитель мысли и памяти пытались выделить уже лет двести, но все без особого успеха. В конце концов нейрофизиологи пришли к выводу, что ничего специфического для памяти в мозге нет: есть 100 млрд нейронов, есть 10 квадрильонов связей между ними и где-то там, в этой космических масштабов сети единообразно закодированы и память, и мысли, и поведение. Предпринимались попытки заблокировать отдельные химические вещества в мозге, и это приводило к изменению в памяти, но также и к изменению всей работы организма. И лишь в 2006 году появились первые работы о биохимической системе, которая, похоже, очень специфична именно для памяти. Ее блокада не вызывала никаких изменений ни в поведении, ни в способности к обучению — только потерю части памяти. Например, памяти об обстановке, если блокатор был введен в гиппокамп. Или об эмоциональном шоке, если блокатор вводился в амигдалу. Обнаруженная биохимическая система представляет собой белок, фермент под названием протеинкиназа М-зета, который контролирует другие белки.

Одна из главных проблем нейрофизиологии — невозможность проводить опыты на людях. Однако даже у примитивных животных базовые механизмы памяти схожи с нашими.

Молекула работает в месте синаптического контакта — контакта между нейронами мозга. Тут надо сделать одно важное отступление и пояснить специфику этих самых контактов. Мозг часто уподобляют компьютеру, и потому многие думают, что связи между нейронами, которые и создают все то, что мы называем мышлением и памятью, имеют чисто электрическую природу. Но это не так. Язык синапсов — химия, здесь одни выделяемые молекулы, как ключ с замком, взаимодействуют с другими молекулами (рецепторами), и лишь потом начинаются электрические процессы. От того, сколько конкретных рецепторов будет доставлено по нервной клетке к месту контакта, зависит эффективность, большая пропускная способность синапса.

Белок с особыми свойствами

Протеинкиназа М-зета как раз контролирует доставку рецепторов по синапсу и таким образом увеличивает его эффективность. Когда эти молекулы включаются в работу одновременно в десятках тысяч синапсов, происходит перемаршрутизация сигналов, и общие свойства некой сети нейронов изменяются. Все это мало нам говорит о том, каким образом в этой перемаршрутизации закодированы изменения в памяти, но достоверно известно одно: если протеинкиназу М-зета заблокировать, память сотрется, ибо те химические связи, которые ее обеспечивают, работать не будут. У вновь открытой «молекулы» памяти есть ряд интереснейших особенностей.

Во-первых, она способна к самовоспроизводству. Если в результате обучения (то есть получения новой информации) в синапсе образовалась некая добавка в виде определенного количества протеинкиназы М-зета, то это количество может сохраняться там очень долгое время, несмотря на то что эта белковая молекула разлагается за три-четыре дня. Каким-то образом молекула мобилизует ресурсы клетки и обеспечивает синтез и доставку в место синаптического контакта новых молекул на замену выбывших.

Во-вторых, к интереснейшим особенностям протеинкиназы М-зета относится ее блокирование. Когда исследователям понадобилось получить вещество для экспериментов по блокированию «молекулы» памяти, они просто «прочитали» участок ее гена, в котором закодирован ее же собственный пептидный блокатор, и синтезировали его. Однако самой клеткой этот блокатор никогда не производится, и с какой целью эволюция оставила в геноме его код — неясно.

Третья важная особенность молекулы состоит в том, что и она сама, и ее блокатор имеют практически идентичный вид для всех живых существ с нервной системой. Это свидетельствует о том, что в лице протеинкиназы М-зета мы имеем дело с древнейшим адаптационным механизмом, на котором построена в том числе и человеческая память.

Конечно, протеинкиназа М-зета — не «молекула памяти» в том смысле, в котором ее надеялись найти ученые прошлого. Она не является материальным носителем запомненной информации, но, очевидно, выступает в качестве ключевого регулятора эффективности связей внутри мозга, инициирует возникновение новых конфигураций как результата обучения.

Внедриться в контакт

Сейчас эксперименты с блокатором протеинкиназы М-зета имеют в некотором смысле характер «стрельбы по площадям». Вещество вводится в определенные участки мозга подопытных животных с помощью очень тонкой иглы и выключает, таким образом, память сразу в больших функциональных блоках. Границы проникновения блокатора не всегда ясны, равно как и его концентрация в районе участка, выбранного в качестве цели. В итоге далеко не все эксперименты в этой области приносят однозначные результаты.

Подлинное понимание процессов, происходящих в памяти, может дать работа на уровне отдельных синапсов, но для этого необходима адресная доставка блокатора в контакт между нейронами. На сегодняшний день это невозможно, но, поскольку такая задача перед наукой стоит, рано или поздно инструменты для ее решения появятся. Особые надежды возлагаются на оптогенетику. Установлено, что клеткой, в которой методами генной инженерии встроена возможность синтеза светочувствительного белка, можно управлять с помощью лазерного луча. И если такие манипуляции на уровне живых организмов пока не производятся, нечто подобное уже делается на основе выращенных клеточных культур, и результаты весьма впечатляющи.

Нейробиологи из Канады и США обнаружили, что в запоминании простых навыков участвуют не все нервные клетки, получающие необходимую для этого информацию, а лишь около четверти из них. То, какие именно нейроны примут участие в формировании долговременной памяти, зависит от концентрации регуляторного белка CREB в клеточном ядре. Если искусственно повысить концентрацию CREB в некоторых нейронах, запоминать будут именно они. Если заблокировать CREB в части нейронов, роль запоминающих возьмут на себя другие нервные клетки.

Одним из самых блестящих достижений нейробиологии XX века стала расшифровка молекулярных механизмов памяти. Нобелевский лауреат Эрик Кандел и его коллеги сумели показать, что для формирования самой настоящей памяти - как кратковременной, так и долговременной - достаточно всего трех нейронов, определенным образом соединенных между собой.

Память изучалась на примере формирования условного рефлекса у гигантского моллюска - морского зайца Aplysia. Моллюску осторожно трогали сифон, и тотчас вслед за этим сильно били по хвосту. После такой процедуры моллюск некоторое время реагирует на легкое прикосновение к сифону бурной защитной реакцией, но вскоре всё забывает (кратковременная память). Если «обучение» повторить несколько раз, формируется стойкий условный рефлекс (долговременная память).

Оказалось, что процесс обучения и запоминания не имеет ничего общего с какими-то высшими, идеальными или духовными материями, а полностью объясняется довольно простыми и совершенно автоматическими событиями на уровне отдельных нейронов. Весь процесс можно полностью воспроизвести на простейшей системе из трех изолированных нервных клеток. Один нейрон (сенсорный) получает сигнал от сифона (в данном случае - чувствует легкое прикосновение). Сенсорный нейрон передает импульс моторному нейрону, который, в свою очередь, заставляет сокращаться мышцы, участвующие в защитной реакции (Aplysia втягивает жабру и выбрасывает в воду порцию красных чернил). Информация об ударе по хвосту поступает от третьего нейрона, который в данном случае играет роль модулирующего. Нервный импульс от одного нейрона к другому передается посредством выброса сигнальных веществ (нейромедиаторов). Точки межнейронных контактов, в которых происходит выброс нейромидиатора, называются синапсами.

За эту картинку Эрику Канделу дали Нобелевскую премию. Здесь показано, как в простейшей системе из трех нейронов формируется кратковременная и долговременная память

На рисунке показаны два синапса. Первый служит для передачи импульса от сенсорного нейрона к моторному. Второй синапс передает импульс от модулирующего нейрона к окончанию сенсорного. Если в момент прикосновения к сифону модулирующий нейрон «молчит» (по хвосту не бьют), в синапсе 1 выбрасывается мало нейромедиатора, и моторный нейрон не возбуждается.

Однако удар по хвосту приводит к выбросу нейромедиатора в синапсе 2, что вызывает важные изменения в поведении синапса 1. В окончании сенсорного нейрона вырабатывается сигнальное вещество cAMP (циклический аденозинмонофосфат). Это вещество активизирует регуляторный белок - протеинкиназу А. Протеинкиназа А, в свою очередь, активизирует другие белки, что в конечном счете приводит к тому, что синапс 1 при возбуждении сенсорного нейрона (то есть в ответ на прикосновение к сифону) начинает выбрасывать больше нейромедиатора, и моторный нейрон возбуждается. Это и есть кратковременная память : пока в окончании сенсорного нейрона много активной протеинкиназы А, передача сигнала от сифона к мышцам жабры и чернильного мешка осуществляется более эффективно.

Если прикосновение к сифону сопровождалось ударом по хвосту много раз подряд, протеинкиназы А становится так много, что она проникает в ядро сенсорного нейрона. Это приводит к активизации другого регуляторного белка - транскрипционного фактора CREB. Белок CREB «включает» целый ряд генов, работа которых в конечном счете приводит к разрастанию синапса 1 (как показано на рисунке) или к тому, что у окончания сенсорного нейрона вырастают дополнительные отростки, которые образуют новые синаптические контакты с моторным нейроном. В обоих случаях эффект один: теперь даже слабого возбуждения сенсорного нейрона оказывается достаточно, чтобы возбудить моторный нейрон. Это и есть долговременная память . Остается добавить, что, как показали дальнейшие исследования, у высших животных и у нас с вами память основана на тех же принципах, что и у аплизии.

После этого необходимого вступления можно перейти к рассказу о том, что, собственно, открыли канадские и американские нейробиологи. Они исследовали формирование у лабораторных мышей условных рефлексов, связанных со страхом. Простейшие рефлексы такого рода формируются в латеральной амигдале (ЛА) - очень маленьком отделе мозга, отвечающем за реакции организма на всякие пугающие стимулы. Мышей приучали, что после того, как раздается определенный звук, их бьет током. В ответ на удар током мышь замирает: это стандартная реакция на испуг. Мыши - умные зверьки, их можно научить многому, и условные рефлексы у них формируются быстро. Обученные мыши замирают, едва заслышав звук, предвещающий опасность.

Ученые обнаружили, что сигнал от нейронов, воспринимающих звук, поступает примерно в 70% нейронов латеральной амигдалы. Однако изменения, связанные с формированием долговременной памяти (рост новых нервных окончаний и т. п.), у обученных мышей происходят лишь в четвертой части этих нейронов (примерно у 18% нейронов ЛА).

Ученые предположили, что между нейронами ЛА, потенциально способными принять участие в формировании долговременной памяти, происходит своеобразное соревнование за право отрастить новые синапсы, причем вероятность «успеха» того или иного нейрона зависит от концентрации белка CREB в его ядре. Чтобы проверить это предположение, мышам делались микроинъекции искусственных вирусов, не способных к размножению, но способных производить полноценный белок CREB либо его нефункциональный аналог CREB S133A . Гены обоих этих белков, вставленные в геном вируса, были «пришиты» к гену зеленого флуоресцирующего белка медузы. В итоге ядра тех нейронов ЛА, в которые попал вирус, начинали светиться зеленым.

Выяснилось, что в результате микроинъекции вирус проникает примерно в такое же количество нейронов ЛА, какое участвует в формировании условного рефлекса. Это случайное совпадение оказалось весьма удобным.

Помимо нормальных мышей, в опытах использовались мыши-мутанты, у которых не работает ген CREB. Такие мыши полностью лишены способности к обучению, они ничего не могут запомнить. Оказалось, что введение вируса, производящего CREB, в ЛА таких мышей полностью восстанавливает способность к формированию условного рефлекса. Но, может быть, увеличение концентрации CREB в некоторых нейронах ЛА просто усиливает реакцию «замирания»?

Чтобы проверить это, были поставлены опыты с более сложным обучением, в которых мышь должна была «осознать» связь между звуком и ударом тока не напрямую, а опосредованно, причем для этого требовалось запомнить определенный контекст, в котором происходило обучение. Для этого недостаточно работы одной лишь ЛА, а требуется еще и участие гиппокампа. В такой ситуации мыши-мутанты не смогли ничему научиться, ведь в гиппокамп им вирусов не вводили. Следовательно, концентрация CREB влияет именно на запоминание, а не на склонность к замиранию.

При помощи серии дополнительных экспериментов удалось доказать, что в запоминании у мышей-мутантов участвуют именно те нейроны ЛА, которые заразились вирусом. Введение вируса в ЛА здоровых мышей не повлияло на их обучаемость. Однако, как и в случае с мышами-мутантами, в запоминании участвовали именно те нейроны ЛА, в которые попал вирус.

Другой вирус, производящий CREB S133A , лишает зараженные нейроны способности запоминать, то есть отращивать новые окончания. Ученые предположили, что введение этого вируса в ЛА здоровых мышей не должно, тем не менее, снижать их обучаемость, поскольку вирус заражает лишь около 20% нейронов ЛА, и роль «запоминающих» возьмут на себя другие, незаразившиеся нейроны. Так и оказалось. Мыши обучались нормально, но среди нейронов, принявших участие в запоминании, практически не оказалось зараженных (то есть светящихся зеленым светом).

Ученые провели еще целый ряд сложных экспериментов, что позволило исключить все иные варианты объяснений, кроме одного - того самого, которое соответствовало их начальному предположению.

Таким образом, в запоминании участвуют не все нейроны, получающие необходимую для этого информацию (в данном случае - «сенсорную» информацию о звуке и «модулирующую» - об ударе током). Почетную роль запоминающих берет на себя лишь некоторая часть этих нейронов, а именно те, в ядрах которых оказалось больше белка CREB. Это, в общем, логично, поскольку высокая концентрация CREB в ядре как раз и делает такие нейроны наиболее «предрасположенными» к быстрому отращиванию новых окончаний.

Неясным остается механизм, посредством которого другие нейроны узнают, что дело уже сделано, победители названы и им самим уже не нужно ничего себе отращивать.

Этот механизм может быть довольно простым. Совершенно аналогичная система регуляции известна у нитчатых цианобактерий, нити которых состоят из двух типов клеток: обычных, занимающихся фотосинтезом, и специализированных «гетероцист», занимающихся фиксацией атмосферного азота. Система работает очень просто: когда сообществу недостает азота, фотосинтезирующие клетки начинают превращаться в гетероцисты. Процесс до определенного момента является обратимым. Клетки, зашедшие по этому пути достаточно далеко, начинают выделять сигнальное вещество, которое не дает превратиться в гетероцисты соседним клеткам. В результате получается нить с неким вполне определенным соотношением обычных клеток и гетероцист (например, 1:20), причем гетероцисты располагаются примерно на равном расстоянии друг от друга.

На мой взгляд, называть подобные регуляторные механизмы «конкуренцией», как это делают авторы статьи, не совсем правильно, акцент тут должен быть иной. Нейрон не получает никакой личной выгоды от того, что именно он примет участие в запоминании. По-моему, здесь уместнее говорить не о конкуренции, а о самой настоящей кооперации.

По материалам: Jin-Hee Han, Steven A. Kushner, Adelaide P. Yiu, Christy J. Cole, Anna Matynia, Robert A. Brown, Rachael L. Neve, John F. Guzowski, Alcino J. Silva, Sheena A. Josselyn. Neuronal Competition and Selection During Memory Formation 2007. V. 316. P. 457–460.