Як працює пам'ять людини – просто про складне. Як працює людська пам'ять

Вчені намагаються покращити пам'ять людини за допомогою електричних імпульсів

Вся інформація, яка зберігається "в голові", сприймається нами як щось само собою зрозуміле. Проте насправді механізм пам'яті настільки складний, що остаточно зрозуміти його вченим не вдається. Проте практично щороку робляться нові відкриття.

Фото fb.ru

У мозок більш ніж двадцяти пацієнтів, хворих на епілепсію (саме у них найчастіше спостерігаються розлади запам'ятовування), вчені Пенсільванського університету імплантували загалом по 200 електродів. Потім почали стимулювати центри, які відповідають за пам'ять електричними імпульсами. При цьому кожен електрод працював ще й у режимі запису, реєструючи до тисячі показників за секунду. Це допомогло як відстежити процес, а й розробити кожному пацієнта індивідуальний алгоритм “лікування”. Результат – запам'ятовування покращало на 15%. Поки що вчені знаходяться на самому початку шляху. Кінцева мета - розробка приладу, який умовно можна назвати кардіостимулятором мозку. Чому б і ні?

У всіх по різному

Пам'ять - це здатність зберігати інформацію, і навіть відтворювати її. Вона властива всім істотам, що мають нервову систему, але у кожного виду – свої нюанси. Наприклад, у кишковопорожнинних – медуз та гребневиків – є лише прості сумаційні (короткочасні) рефлекси. У членистоногих пам'ять – це готові програми реакцій на умови довкілля. Головоногі молюски, птахи і ссавці мають цілком пристойні здібності до запам'ятовування. Але найдосконалішим механізмом пам'яті наділені люди. І вона “зав'язана” на індивідуальні особливості. Наприклад, вже у дитячому віці можна сказати, чи переважає у дитини запам'ятовування образів, асоціативна чи абстрактна пам'ять. При цьому часто недоліки одного виду пам'яті можуть компенсуватись за рахунок інших.

Такі нервові...

Мозок містить 86 мільярдів нервових клітин, які посилають імпульси через особливі контакти – синапси. Японські вчені ввели у людський мозок найдрібніші світлові частки та зняли процес на відео. Чим інтенсивніша була робота думки (наприклад, при вирішенні математичних завдань), тим активнішими ставали нейрони. Вони рухалися дедалі швидше і безперервним потоком, нагадуючи чимось амеб (рід мікроскопічних одноклітинних найпростіших). Виходить, що широко відомий вираз "ворушити мізками" має прямий сенс.

Саму пам'ять можна поділити на кілька видів. Перший – безпосередня, яка триває кілька секунд. Зазвичай ви йдете вулицею, дивіться по сторонах і тут же забуваєте, що бачили, чи не так? Короткочасна пам'ять дозволяє нам запам'ятовувати щось на кілька годин. А от якщо інформація є вкрай корисною, вона переходить у довготривалий вигляд пам'яті, де зберігається від кількох днів до всього життя.

Гігант думки

Довготривала пам'ять формується приблизно через 5-8 годин після надходження важливої ​​інформації. При цьому утворюються білки з особливою будовою молекул, і виникає окрема нейронна мережа. Коли потрібно щось згадати, відбувається виклик “записаного” у різних точках ланцюга матеріалу та її оформлення в осмислений сюжет.

Кількість нейронних зв'язків збільшується у процесі дорослішання. Так, у маленької дитини нейрони є, але зв'язок між ними практично відсутні. Вони починають з'являтися лише у процесі пізнання навколишнього світу. Якщо порівняти мозок людини із комп'ютером, він міг би зберігати до 7 мільйонів мегабайт. Дуже багато, проте невідома жодна людина в історії, яка реально досягла б таких висот інтелекту (це приблизно як визубрити всі книги, які є в Національній бібліотеці).

З віком у мозку відбуваються природні зміни – зменшується кількість нервових клітин, зв'язки слабшають. Відстрочити цей час можна. Починається все з повноцінного сну та харчування. Наприклад, бідна білками та вітамінами їжа знижує можливості пам'яті. А включення до раціону продуктів, багатих магнієм, кальцієм і глютаміновою кислотою, навпаки, покращує її. Погано впливає на пам'ять та малоактивний спосіб життя. І, навпаки, зміна вражень, спілкування з людьми, активний відпочинок на природі та заняття спортом їй “подобаються”. Ось і виходить, що бігом можна втекти не лише від інфаркту, а й від склерозу.

БУДЬ ДОСВІДНО

Феноменальну пам'ять мав американець Кім Пік – прототип головного героя фільму “Людина дощу”. Він запам'ятовував 98% усієї прочитаної інформації, причому міг одночасно правим оком читати праву сторінку, а лівим – ліву у розвороті книги. Адже Кім народився з черепно-мозковою грижею, пошкодженням мозочка і відсутністю мозолистого тіла (відділ, який з'єднує півкулі мозку). Зрозуміло, що такі речі не ведуть до обдарованості. Проте, як з'ясували вчені, випадок Кіма Піка унікальний – нейрони через відсутність мозолистого тіла створили нові сполуки, що призвело до багаторазового збільшення обсягу пам'яті саме за рахунок патологічних структур.

КОМПЕТЕНТНО

Володимир Кульчицький, академік, заступник директора з наукової роботи Інституту фізіології НАН:

Наукові дослідження підтверджують, що для нормальної роботи мозку та особливо механізмів пам'яті людини потрібний повноцінний сон. Адже всупереч поширеній думці про сон як про безтурботний спокій це якраз один з найактивніших станів нашого мозку. Існує безліч прикладів (зокрема, Дмитро Менделєєв зі своєю періодичною таблицею), коли саме уві сні вченим приходили ідеї наукових відкриттів. Сальвадор Далі засинав, сидячи, тримаючи в руці важкий ключ. Як тільки при засинанні в нього слабшала хватка, ключ вислизав і будив його гуркотом. Художник вважав, що це допомагає йому почерпнути нові думки та ідеї для картин із прикордонного стану між сном та неспанням. А скільки існує сказань про віщі сни!

Ви ніколи не замислювалися, чому маленькі діти віком до трьох років так багато сплять? Справа в тому, що в перші роки життя на дитину обрушується такий потік різної інформації та вражень, що мозку потрібен час для його обробки. Щоб короткочасна пам'ять перетворилася на довготривалу, мають утворитися нові міжнейронні контакти, а формування їх найкраще відбувається під час “сонної активності” нервових клітин. Якщо викладати процес простими словами, відбувається систематизація (хіба що “розкладання по поличках”) всього, що сталося з нами під час неспання. "Диригує" цим ділянка мозку під назвою гіпокамп. Саме він відповідає за те, щоб інформація не лише надсилалася за конкретною адресою, а й “архівувалася” у відповідних відділах. Так от, у разі недотримання оптимального режиму дня (а в нормі у середньої людини сон повинен тривати як мінімум сім годин) дані процеси порушуються, відбуваються збої. І оскільки помилки мають властивість накопичуватися, це негативно відбивається на механізмах пам'яті в цілому, а часто і здоров'я людини.

Втім, відомі приклади видатних особистостей, яким нібито для сну потрібно було зовсім небагато часу. Наприклад, вважається, що Наполеон Бонапарт спав трохи більше чотирьох годин. Проте, на мою думку, ці твердження вірні лише частково. Справді, якийсь час людина може (через життєві обставини) існувати в екстремальному ритмі. Але жити так весь час неможливо – мозок просто не витримає навантаження. Спостереження показують, що такі люди (при всій своїй геніальності) живуть набагато менше за інших. І, як правило, вирізняються нестабільною психікою. До речі, з'явилися наукові статті про зв'язок недосипання із частотою розвитку хвороби Альцгеймера.

І навпаки, спостереження за довгожителями показують, що всі вони правильно харчуються, дотримуються режиму дня та ведуть активний спосіб життя.

Пам'ять людининадзвичайно економічна. Якби вона зберігала всі дратівливі фактори і всю інформацію, всі повсякденні дрібниці, то найімовірніше мозок вибухнув би або через надмірну дію подразників ми стали б недієздатними.

Головний мозок диференціює та відбирає нову інформацію, щоб мати можливість працювати ефективніше. І цей вибір головний мозок кожної людини робить індивідуально. Пам'ять зберігає лише ті речі, яким ми надаємо особливого значення і які ми усвідомлено та емоційно переробляємо. Таким чином, почуття відіграють значну роль у процесі збереження інформації в пам'яті. Відповідає це так звана лімбічна система, яка, згідно з будовою головного мозку, розташовується безпосередньо під корою великих півкуль головного мозку. До лімбічної системи, центру почуттів і головного мозку, також відноситься «детектор нового» гіпокамп, що з емоційної точки зору оцінює інформацію, що надходить. Ніяка нова інформація, що стосується будь-яких фактів або біографічних спогадів, не потрапляє в довготривалу пам'ять, не пройшовши через лімбічну систему, яка служить фільтром, шукає лише потрібну інформацію, пов'язує її з почуттями і потім розподіляє її корою головного мозку. Чим частіше відбувається цей процес, чим сильніше він емоційно забарвлений, тим швидше буде вивчена ця інформація і тим довше вона зберігатиметься в пам'яті.

Новизна, значення та інтенсивність емоційного забарвлення є вирішальними факторами в тому, що ми зберігаємо у своїй пам'яті. Сильні емоційні події обробляються інакше, ніж незначні, сторонні факти сприймаються гірше, ніж особистий досвід. Нейтральна інформація, така як звичайний шкільний матеріал, повинна оброблятися усвідомлено, повторюватися, перетворюватися, доповнюватись і просто заучуватися. Діє принцип « First in last out«, що означає: те, що людина вивчив насамперед, запам'ятовується найкраще. Свіжа інформація лише після усвідомленого роз'яснення може відкладатися на довгий час на згадку.

Таким чином, вислів «передавати знання» є помилковим. Знання не можуть бути повною мірою передані, а повинні бути вбудовані на згадку про кожну людину за допомогою її власної системи нервових сполук. Гете сказав чудову фразу: «Необхідно здобути свої знання, щоб володіти ними!».

Те, що наш головний мозок дуже економічний і має безліч фільтрів, однак, не означає, що наше велике сховище, наша довготривала пам'ять, колись може бути переповнена. Кора великих півкуль головного мозку має незбагненно великий обсяг пам'яті. І чим більше ми її насичуємо, тим швидше і краще наш мозок може мислити та запам'ятовувати нову інформацію.

Моя донька пішла у перший клас і зіткнулася з тим, що правила доводилося заучувати напам'ять. Їй це дуже важко давалося спочатку. Навіть якщо вона могла повторити весь текст у першу годину після заучування, потім частина інформації губилася. А я пам'ятала ці правила напам'ять ще зі школи.

Тоді мій маленький геній поставив цілком логічне та мудре запитання: «Чому я не можу згадати правило, яке вчила сьогодні, а ти знаєш його досі?». З відповіддю я не поспішала – вирішила вивчити теорію та зіставити із життєвим досвідом.

Вивчення питання почала з основ. Що таке пам'ять? Де зберігається пам'ять людини? Яка структура пам'яті?

Відповідно до визначення, це розумовий процес, що складається з наступних компонентів: запам'ятовування, зберігання, відтворення та забування.

Як працює пам'ять? Вона формується протягом усього життя та зберігає наш життєвий досвід. Фізично процес можна описати виникненням нових зв'язків між величезною кількістю нейронів головного мозку.

Процеси в головному мозку не вивчені до кінця, і вчені продовжують дослідження у цій галузі людського організму.

Про те, де знаходиться пам'ять людини, точаться суперечки. На сьогоднішній день доведено, що за цю частину свідомості відповідають такі ділянки мозку: підкірковий гіпокамп, гіпоталамус, таламус, кора півкуль.

Основними місцями зберігання є гіпокамп та кора. Гіпокамп знаходиться в скроневій частці по обидва боки головного мозку. На питання про те, яка півкуля відповідає за пам'ять, можна сміливо відповісти, що обидві, лише права частка «контролює» фактичні та лінгвістичні дані, а ліва – хронологію життєвих подій.

Поява нейронних зв'язків обумовлена ​​роботою рецепторів органів чуття: зору, смаку, нюху, дотику та слуху. Головний мозок фіксує всі електричні імпульси від них, причому найбільш яскраві моменти, що викликають сильні емоції (наприклад, перше кохання), запам'ятовуються краще.

Таким чином емоції людини впливають на згадку.

У кожної людини можливе переважання властивості за допомогою якого-небудь органу почуттів.

Наприклад, одні добре вивчають текст із підручника під час читання, іншим краще почути текст від іншої людини, у третіх відмінна пам'ять на запахи і так далі.

Різні зовнішні та внутрішні чинники впливають на якість нашої пам'яті. Багато причин, що спричиняють порушення цього процесу.

До внутрішніх причин відносять неправильне поводження з інформацією за такими напрямками:

• запам'ятовування – щоб інформація не забулася, із нею потрібно працювати;
• перешкоди – велика кількість нової інформації призводить до забування важливої ​​раніше придбаної інформації;
• витіснення - негативні спогади забуваються швидше;
• спотворення – запам'ятовування та відтворення інформації відбувається на тлі наших почуттів та емоцій, тому така обробка робить дані суб'єктивними;
• помилки зберігання та відтворення – якщо дані запам'яталися з помилками чи неточностями, або повністю, їх відтворення виявиться неправильним.

Зовнішніх причин також достатньо:

1. Генетичні відхилення (наприклад аутизм).
2. Гормональні порушення (у тому числі цукровий діабет, патологія щитовидної залози).
3. Депресивні або стресові стани та захворювання (невроз, шизофренія).
4. Виснаження організму, викликане перевтомою, безсонням, хворобою, поганим харчуванням, алкоголізмом, курінням, прийомом деяких препаратів (наприклад, бензодіазепінів).
5. Вікові зміни (хвороба Альцгеймера).

Особливо згубно, окрім захворювань та травм, діє на згадку захоплення алкоголем. Відомо, що навіть разове вживання спиртного призводить до порушень, а при алкоголізмі відбувається руйнування нейронних зв'язків у гіпокампі, порушення мозкового кровообігу, авітаміноз.

Все це призводить до втрати здатності засвоювати нову інформацію.

Такі гострі стани, як інсульт та інфаркт, також здатні викликати знищення нейронних зв'язків, причому наслідки можуть бути колосальними, і для відновлення потрібно багато часу, сил та терпіння. Іноді всі спроби є безуспішними.

У гіпокампі міститься речовина – ацетилхолін, що відповідає за передачу імпульсів від одного нейрона до іншого. Недолік його спричиняє порушення пам'яті. Особливо це явище спостерігається у старечому віці та викликає хворобу Альцгеймера.

Структура

Тривале вивчення того, як влаштовано пам'ять людини, спричинило створення докладної класифікації. Одним із критеріїв є тривалість зберігання інформації. Відповідно до нього можна назвати такі види пам'яті:

• миттєва (сенсорна);
• короткочасна;
• оперативна;
• довготривала.

Миттєва характеризується тим, що інформація фіксується рецепторами органів чуття, але обробці не підлягає. Вона, у свою чергу, ділиться на іконічну (зорове сприйняття) та ехоічну (слухове сприйняття).

Приклад іконічного вигляду – ви бачите на вулиці банер із рекламою та номером телефону, за секунду ви вже цей номер не згадаєте. Відлуння можна розглянути також на рекламі, але номер телефону ви не побачили, а почули по радіо. Миттєва пам'ять дозволяє зберігати інформацію до 5 секунд.

Короткочасна є наслідком одноразового сприйняття та негайного відтворення. Якщо взяти приклад із правилом для першого класу, коли дочка читає його по складах один раз без повторення. Утримати правило у пам'яті вона зможе протягом часу від 5 секунд до однієї хвилини.

За короткочасну пам'ять відповідає гіпокамп. Доказом є той факт, що при пошкодженні гіпокампа (під час оперативного втручання, наприклад) людина відразу ж забуває щойно події, що відбулася з нею, але пам'ятає інформацію, що накопичилася до пошкодження.

Оперативна пам'ять – те саме, як і короткочасна, але інформація зберігається лише межах періоду її використання. Наприклад, донька прочитала правило і використала його для виконання вправи із домашньої роботи, а після забула.

Цей вид дозволяє людині швидко вирішувати проблему тут і зараз і забувати непотрібну інформацію.

Довготривала зберігається в корі півкуль мозку. Вона розвивається одночасно з короткочасною та є її наслідком. Після багаторазового запам'ятовування та застосування інформації, що знаходиться в межах короткочасної пам'яті, відбувається її фіксація в головному мозку, а саме в корі півкуль, на тривалий час або навіть на все життя.

Це приклад, коли правило, вивчене у першому класі та застосовується протягом 11 років навчання у школі, запам'ятовується назавжди. Довготривала пам'ять вимагає участі всіх ресурсів свідомості: психічної, чуттєвої та інтелектуальної.

Тільки усвідомлена та осмислена повною мірою інформація може зайняти місце у довгостроковій пам'яті людини.

Структура пам'яті спрощено є наступною схемою: запам'ятовування - збереження - відтворення. При запам'ятовуванні відбувається будівництво нових нейронних зв'язків.

Завдяки цим зв'язкам ми згадуємо (відтворюємо) інформацію. Спогади можуть бути вилучені із довготривалої пам'яті самостійно або під впливом подразників на певні ділянки головного мозку (наприклад, гіпноз).

На тривалість збереження інформації впливає увагу людини до останньої. Чим більше сконцентровано уваги, тим триваліше інформація зберігатиметься.

Невід'ємною частиною пам'яті є забування. Цей процес необхідний розвантаження центральної нервової системи від непотрібних спогадів.

Висновок

Тепер я можу відповісти на запитання дочки:

1. Пам'ять є процесом з кількох окремих складових. Щоб запам'ятати інформацію, потрібно осмислити її, багато разів повторити та періодично застосовувати на практиці. Це зумовлено певними властивостями головного мозку та, відповідно, існуванням кількох видів пам'яті.
2. Важливо знати, де зберігається пам'ять, аби розуміти, чого залежить запам'ятовування правила. Вона міститься у головному мозку з великою кількістю нейронів. Для фіксації інформації у корі півкуль необхідно створення міцних нейронних зв'язків.
3. Знання про те, як влаштована пам'ять, допоможе розвинути її, і отримати від цього задоволення.

Ця частина свідомості пов'язані з органами почуттів, тому можна спостерігати, як текст краще запам'ятовується: під час читання чи слух.

Процес запам'ятовування пов'язаний також і з інтелектом: чим більше та якісніше ми вчимо, тим легше запам'ятовування даватиметься згодом.

Успішне запам'ятовування пов'язані з психічним станом людини: пригнічений настрій може стати на заваді процесу; чим більше позитивних емоцій, інтересу проявляє людина до інформації, тим уважніше вона її вивчає, і краще її запам'ятовує.

Тобто важливо мати позитивний настрій. Для дітей можна створити умови гри для привернення уваги.

Необхідність розвитку

Пристрій пам'яті людини передбачає взаємозв'язок із інтелектом. Розвиваючи її, ми розвиваємо та інтелект.

Людина, яка багато часу приділяє запам'ятовування та осмислення, стає більш уважною та організованою, у неї розвиваються всі види мислення, уява та творчі здібності. Крім того, таке тренування мозку попереджає вікові хвороби, пов'язані із порушенням пам'яті.

Залежно від цілей тренування запам'ятовування виділяють три напрями використання:

1. Побутовий напрямок – потрібний для усунення забудькуватості на побутовому рівні (наприклад, періодичне забування телефону вдома).
2. Природне – коли тренування пам'яті поєднується зі здоровим способом життя, а результати можуть використовуватись у будь-якій сфері діяльності.
3. Штучне – це застосування мнемотехнік, освоєння яких дозволяє запам'ятовувати колосальні обсяги різної інформації.

Неважливо, який спосіб виберете ви, але якщо хоча б один з них буде вивчений, то це вже буде кроком до самовдосконалення і можливості піти далі. Ці безцінні навички, безперечно, стануть у нагоді в будь-якій сфері життя, роблячи вас успішними і щасливими.

Загадка людської пам'яті — одна з головних наукових проблем ХХІ століття, причому вирішувати її доведеться спільними зусиллями хіміків, фізиків, біологів, фізіологів, математиків та інших наукових дисциплін. І хоча до повного розуміння того, що з нами відбувається, коли ми «запам'ятовуємо», «забуваємо» та «згадуємо знову», ще далеко, важливі відкриття останніх років вказують на правильний шлях.

Одна з головних проблем нейрофізіології – неможливість проводити досліди на людях. Однак навіть у примітивних тварин базові механізми пам'яті схожі на наші.

Павло Балабан

На сьогоднішній день навіть відповідь на базове питання — що являє собою пам'ять у часі та просторі — може складатися переважно з гіпотез та припущень. Якщо говорити про простір, то досі не дуже зрозуміло, як пам'ять організована і де саме у мозку розташована. Дані науки дозволяють припустити, що елементи її присутні скрізь, у кожній із областей нашої «сірої речовини». Більше того, та сама, здавалося б, інформація може записуватися на згадку в різних місцях.

Наприклад, встановлено, що просторова пам'ять (коли ми запам'ятовуємо якусь вперше побачену обстановку - кімнату, вулицю, пейзаж) пов'язана з областю мозку під назвою гіпокамп. Коли ж ми спробуємо дістати з пам'яті цю обстановку, скажімо, через десять років — то ця пам'ять вже буде вилучена з зовсім іншої області. Так, пам'ять може переміщатися всередині мозку, і найкраще ця теза ілюструє експеримент, проведений колись із курчатами. У житті курчат, що щойно вилупилися, грає велику роль імпринтинг — миттєве навчання (а приміщення на згадку — це і є навчання). Наприклад, курча бачить великий предмет, що рухається, і відразу «віддруковує» в мозку: це мама-курка, треба слідувати за нею. Але якщо через п'ять днів у курчати видалити частину мозку, відповідальну за імпринтинг, то з'ясується, що… запам'ятана навичка нікуди не поділася. Він перемістився в іншу область, і це доводить, що для безпосередніх результатів навчання є одне сховище, а для його тривалого зберігання — інше.

Запам'ятовуємо із задоволенням

Але ще більш дивно, що такої чіткої послідовності переміщення пам'яті з оперативної до постійної, як це відбувається в комп'ютері, у мозку немає. Робоча пам'ять, що фіксує безпосередні відчуття, одночасно запускає й інші механізми пам'яті – середньострокову та довготривалу. Але мозок — система енергоємна і тому намагається оптимізувати витрати своїх ресурсів, у тому числі і на згадку. Тому природою створено багатоступінчасту систему. Робоча пам'ять швидко формується і так само швидко руйнується – для цього є спеціальний механізм. А ось по-справжньому важливі події записуються для довготривалого зберігання, важливість їх підкреслюється емоцією, ставленням до інформації. На рівні фізіології емоція - це включення найпотужніших біохімічних систем, що модульують. Ці системи викидають гормони-медіатори, які змінюють біохімію пам'яті у потрібний бік. Серед них, наприклад, різноманітні гормони задоволення, назви яких нагадують не стільки про нейрофізіологію, скільки про кримінальну хроніку: це морфіни, опіоїди, каннабіноїди — тобто наркотичні речовини, що виробляються нашим організмом. Зокрема, ендоканабіноїди генеруються прямо в синапсах - контактах нервових клітин. Вони впливають на ефективність цих контактів і, таким чином, заохочують запис тієї чи іншої інформації на згадку. Інші речовини з-поміж гормонів-медіаторів здатні, навпаки, придушити процес переміщення даних з робочої пам'яті в довготривалу.

Механізми емоційного, тобто біохімічного підкріплення пам'яті, зараз активно вивчаються. Проблема лише в тому, що лабораторні дослідження подібного роду можна вести тільки на тваринах, але чи багато може розповісти нам про свої емоції лабораторний щур?

Якщо ми щось зберегли в пам'яті, то часом настав час згадати цю інформацію, тобто витягти з пам'яті. Але чи правильно це слово «витягти»? Зважаючи на все, не дуже. Схоже, що механізми пам'яті не отримують інформацію, а наново генерують її. Інформації немає у цих механізмах, як немає у «залізі» радіоприймача голосу чи музики. Але з приймачем все ясно - він обробляє і перетворює електромагнітний сигнал, що приймається на антену. Що за «сигнал» обробляється при вийманні пам'яті, де і як зберігаються ці дані, сказати поки що дуже важко. Проте вже зараз відомо, що при спогаді пам'ять переписується заново, модифікується, або, принаймні, це відбувається з деякими видами пам'яті.

Чи не електрика, але хімія

У пошуках відповіді питанням, як можна модифікувати чи навіть стерти пам'ять, останніми роками було зроблено важливі відкриття, і з'явився низку робіт, присвячених «молекулі пам'яті».

Насправді таку молекулу або принаймні якийсь матеріальний носій думки та пам'яті намагалися виділити вже років двісті, але без особливого успіху. Зрештою нейрофізіологи дійшли висновку, що нічого специфічного для пам'яті в мозку немає: є 100 млрд нейронів, є 10 квадрильйонів зв'язків між ними і десь там, у цій космічній масштабі мережі однаково закодовані і пам'ять, і думки, і поведінка. Робилися спроби заблокувати окремі хімічні речовини у мозку, і це призводило до зміни пам'яті, але й зміни всієї роботи організму. І лише 2006 року з'явилися перші роботи про біохімічну систему, яка, схоже, дуже специфічна саме для пам'яті. Її блокада не викликала жодних змін ні в поведінці, ні в здатності до навчання лише втрату частини пам'яті. Наприклад, пам'яті про обстановку, якщо блокатор було введено в гіппокамп. Або про емоційний шок, якщо блокатор вводився в амігдалу. Виявлена ​​біохімічна система є білок, фермент під назвою протеїнкіназа М-зета, який контролює інші білки.

Однією з головних проблем нейрофізіології є неможливість проводити досліди на людях. Однак навіть у примітивних тварин базові механізми пам'яті схожі на наші.

Молекула працює у місці синаптичного контакту — контакту між нейронами мозку. Тут треба зробити один важливий відступ і пояснити специфіку цих контактів. Мозок часто уподібнюють комп'ютеру, і тому багато хто думає, що зв'язки між нейронами, які й створюють усе те, що ми називаємо мисленням та пам'яттю, мають суто електричну природу. Але це не так. Мова синапсів - хімія, тут одні виділяються молекули, як ключ із замком, взаємодіють з іншими молекулами (рецепторами), і лише потім починаються електричні процеси. Від того, скільки конкретних рецепторів буде доставлено нервовою клітиною до місця контакту, залежить ефективність, велика пропускна здатність синапсу.

Білок із особливими властивостями

Протеїнкіназа М-зета контролює доставку рецепторів по синапсу і таким чином збільшує його ефективність. Коли ці молекули входять у роботу одночасно у десятках тисяч синапсів, відбувається перемаршрутизація сигналів, і загальні властивості певної мережі нейронів змінюються. Все це мало нам говорить про те, яким чином у цій перемаршрутизації закодовані зміни в пам'яті, але достеменно відомо одне: якщо протеїнкіназу М-зета заблокувати, пам'ять зітреться, бо ті хімічні зв'язки, які її забезпечують, не працюватимуть. У відкритої «молекули» пам'яті є низка найцікавіших особливостей.

По-перше, вона здатна до самовідтворення. Якщо в результаті навчання (тобто отримання нової інформації) у синапсі утворилася певна добавка у вигляді певної кількості протеїнкінази М-зета, то ця кількість може зберігатися там дуже довгий час, незважаючи на те, що ця білкова молекула розкладається за три-чотири дні. Якимось чином молекула мобілізує ресурси клітини та забезпечує синтез та доставку в місце синаптичного контакту нових молекул на заміну вибулих.

По-друге, до найцікавіших особливостей протеїнкінази М-зета належить її блокування. Коли дослідникам знадобилося отримати речовину для експериментів з блокування «молекули» пам'яті, вони просто «прочитали» ділянку її гена, в якій закодовано її власний пептидний блокатор, і синтезували його. Однак самої клітиною цей блокатор ніколи не виробляється, і з якою метою еволюція залишила в геномі його код – неясно.

Третя важлива особливість молекули полягає в тому, що і вона сама, і її блокатори мають практично ідентичний вигляд для всіх живих істот з нервовою системою. Це свідчить про те, що в особі протеїнкінази М-зета ми маємо справу з найдавнішим адаптаційним механізмом, на якому побудовано навіть людську пам'ять.

Звісно, ​​протеїнкіназа М-зета — не «молекула пам'яті» у тому сенсі, в якому її сподівалися знайти вчені минулого. Вона не є матеріальним носієм запам'ятованої інформації, але, очевидно, виступає як ключовий регулятор ефективності зв'язків усередині мозку, ініціює виникнення нових конфігурацій як результату навчання.

Впровадитись у контакт

Зараз експерименти з блокатором протеїнкінази М-зета мають у певному сенсі характер «стрільби по майданах». Речовина вводиться у певні ділянки мозку піддослідних тварин за допомогою дуже тонкої голки та вимикає, таким чином, пам'ять відразу у великих функціональних блоках. Межі проникнення блокатора який завжди зрозумілі, як і його концентрація у районі ділянки, обраного як мети. У результаті далеко не всі експерименти в цій галузі дають однозначні результати.

Справжнє розуміння процесів, які у пам'яті, може дати робота лише на рівні окремих синапсів, але цього необхідна адресна доставка блокатора контакт між нейронами. На сьогоднішній день це неможливо, але оскільки таке завдання перед наукою стоїть, рано чи пізно інструменти для її вирішення з'являться. Особливі сподівання покладаються оптогенетику. Встановлено, що клітиною, в якій методами генної інженерії вбудована можливість синтезу світлочутливого білка, можна керувати лазерним променем. І якщо такі маніпуляції на рівні живих організмів поки не виробляються, щось подібне вже робиться на основі вирощених клітинних культур, і результати дуже вражаючі.

Нейробіологи з Канади та США виявили, що у запам'ятовуванні простих навичок беруть участь не всі нервові клітини, які отримують необхідну для цього інформацію, а лише близько чверті з них. Те, які саме нейрони візьмуть участь у формуванні довготривалої пам'яті, залежить від концентрації регуляторного білка CREB у клітинному ядрі. Якщо штучно підвищити концентрацію CREB у деяких нейронах, запам'ятовуватимуть саме вони. Якщо заблокувати CREB у частині нейронів, роль пам'ятників візьмуть на себе інші нервові клітини.

Одним із найблискучіших досягнень нейробіології XX століття стало розшифрування молекулярних механізмів пам'яті. Нобелівський лауреат Ерік Кандел і його колеги зуміли показати, що для формування справжньої пам'яті - як короткочасної, так і довготривалої - достатньо трьох нейронів, певним чином з'єднаних між собою.

Пам'ять вивчалася з прикладу формування умовного рефлексу у гігантського молюска - морського зайця Aplysia. Молюску обережно чіпали сифон, і відразу слідом за цим сильно били по хвості. Після такої процедури молюсок деякий час реагує на легкий дотик до сифона бурхливою захисною реакцією, але незабаром все забуває (короткочасна пам'ять). Якщо "навчання" повторити кілька разів, формується стійкий умовний рефлекс (довготривала пам'ять).

Виявилося, що процес навчання і запам'ятовування немає нічого спільного з якимись вищими, ідеальними чи духовними матеріями, а цілком пояснюється досить простими і автоматичними подіями лише на рівні окремих нейронів. Весь процес можна повністю відтворити на простій системі із трьох ізольованих нервових клітин. Один нейрон (сенсорний) отримує сигнал від сифона (в даному випадку – відчуває легкий дотик). Сенсорний нейрон передає імпульс моторному нейрону, який, своєю чергою, змушує скорочуватися м'язи, що у захисної реакції (Aplysia втягує жабру і викидає у воду порцію червоного чорнила). Інформація про удар по хвості надходить від третього нейрона, який у разі грає роль модулирующего. Нервовий імпульс від одного нейрона до іншого передається у вигляді викиду сигнальних речовин (нейромедіаторів). Точки міжнейронних контактів, у яких відбувається викид нейромідіатора, називаються синапсами.

За цю картинку Еріку Канделу дали Нобелівську премію. Тут показано, як у найпростішій системі з трьох нейронів формується короткочасна та довготривала пам'ять

На малюнку показано два синапси. Перший служить передачі імпульсу від сенсорного нейрона до моторному. Другий синапс передає імпульс від модулюючого нейрона до закінчення сенсорного. Якщо в момент дотику до сифона модулюючий нейрон «мовчить» (по хвосту не б'ють), в синапсі 1 мало нейромедіатора викидається, і моторний нейрон не збуджується.

Однак удар по хвості призводить до викиду нейромедіатора в синапсі 2, що викликає важливі зміни в поведінці синапсу 1. Після закінчення сенсорного нейрона виробляється сигнальна речовина cAMP (циклічний аденозинмонофосфат). Ця речовина активізує регуляторний білок - протеїнкіназу А. Протеїнкіназа А, у свою чергу, активізує інші білки, що в кінцевому рахунку призводить до того, що синапс 1 при збудженні сенсорного нейрона (тобто у відповідь на дотик до сифону) починає викидати більше нейромедіатора, та моторний нейрон збуджується. Це і є короткочасна пам'ять: поки після закінчення сенсорного нейрона багато активної протеїнкінази А, передача сигналу від сифону до м'язів зябра та чорнильного мішка здійснюється більш ефективно.

Якщо дотик до сифону супроводжувався ударом по хвості багато разів поспіль, протеїнкінази А стає так багато, що вона проникає в ядро ​​сенсорного нейрона. Це призводить до активізації іншого регуляторного білка – транскрипційного фактора CREB. Білок CREB «включає» цілу низку генів, робота яких в кінцевому рахунку призводить до розростання синапсу 1 (як показано на малюнку) або до того, що закінчення сенсорного нейрона виростають додаткові відростки, які утворюють нові синаптичні контакти з моторним нейроном. В обох випадках ефект один: тепер навіть слабке збудження сенсорного нейрона виявляється достатньо, щоб порушити моторний нейрон. Це і є довготривала пам'ять. Залишається додати, що, як показали подальші дослідження, у вищих тварин і у нас з вами пам'ять ґрунтується на тих самих принципах, що й у аплізії.

Після цього необхідного вступу можна перейти до розповіді про те, що власне відкрили канадські та американські нейробіологи. Вони досліджували формування у лабораторних мишей умовних рефлексів, що з страхом. Найпростіші рефлекси такого роду формуються в латеральній амігдалі (ЛА) - дуже маленькому відділі мозку, що відповідає за реакції організму на будь-які лякаючі стимули. Мишей привчали, що після того, як лунає певний звук, їх б'є струмом. У відповідь удар струмом миша завмирає: це стандартна реакція на переляк. Миші – розумні звірята, їх можна навчити багато чому, і умовні рефлекси у них формуються швидко. Навчені миші завмирають, ледь почувши звук, що віщує небезпеку.

Вчені виявили, що сигнал від нейронів, що сприймають звук, надходить приблизно 70% нейронів латеральної амігдали. Однак зміни, пов'язані з формуванням довготривалої пам'яті (зростання нових нервових закінчень тощо), у навчених мишей відбуваються лише у четвертій частині цих нейронів (приблизно у 18% нейронів ЛА).

Вчені припустили, що між нейронами ЛА, потенційно здатними взяти участь у формуванні довготривалої пам'яті, відбувається своєрідне змагання за право відростити нові синапси, причому ймовірність успіху того чи іншого нейрона залежить від концентрації білка CREB в його ядрі. Щоб перевірити це припущення, мишам робилися мікроін'єкції штучних вірусів, не здатних до розмноження, але здатних виробляти повноцінний білок CREB або його нефункціональний аналог CREB S133A. Гени обох цих білків, вставлені в геном вірусу, були «пришиті» до гена зеленого білка, що флуорескує, медузи. У результаті ядра тих нейронів ЛА, у які потрапив вірус, починали світитися зеленим.

З'ясувалося, що в результаті мікроін'єкції вірус проникає приблизно в таку кількість нейронів ЛА, яка бере участь у формуванні умовного рефлексу. Цей випадковий збіг виявився дуже зручним.

Крім нормальних мишей, у дослідах використовувалися миші-мутанти, які не працюють ген CREB. Такі миші повністю позбавлені здібності до навчання, нічого не можуть запам'ятати. Виявилося, що введення вірусу, що виробляє CREB, у ЛА таких мишей повністю відновлює здатність до формування умовного рефлексу. Але, можливо, збільшення концентрації CREB у деяких нейронах ЛА просто посилює реакцію «завмирання»?

Щоб перевірити це, були поставлені досліди з більш складним навчанням, в яких миша повинна була «усвідомити» зв'язок між звуком і ударом струму не безпосередньо, а опосередковано, причому для цього потрібно запам'ятати певний контекст, у якому відбувалося навчання. Для цього недостатньо роботи однієї лише ЛА, а потрібна ще й участь гіпокампу. У такій ситуації миші-мутанти не змогли нічого навчитися, адже в гіпокамп їм вірусів не вводили. Отже, концентрація CREB впливає саме на запам'ятовування, а не схильність до завмирання.

За допомогою серії додаткових експериментів вдалося довести, що у запам'ятовуванні мишей-мутантів беруть участь саме ті нейрони ЛА, які заразилися вірусом. Введення вірусу в ЛА здорових мишей не вплинуло на їхню обучаемость. Однак, як і у випадку з мишами-мутантами, у запам'ятовуванні брали участь саме ті нейрони ЛА, які потрапив вірус.

Інший вірус, що виробляє CREB S133A, позбавляє заражені нейрони здатності запам'ятовувати, тобто відрощувати нові закінчення. Вчені припустили, що введення цього вірусу в ЛА здорових мишей не повинно, проте, знижувати їхню навченість, оскільки вірус заражає лише близько 20% нейронів ЛА, і роль «запам'ятовують» візьмуть на себе інші нейрони, що незаразилися. Так і виявилось. Миші навчалися нормально, але серед нейронів, які взяли участь у запам'ятовуванні, практично не виявилося заражених (тобто зеленим світлом, що світяться).

Вчені провели ще цілу низку складних експериментів, що дозволило виключити всі інші варіанти пояснень, крім одного - того самого, яке відповідало їхньому початковому припущенню.

Таким чином, у запам'ятовуванні беруть участь не всі нейрони, які отримують необхідну для цього інформацію (в даному випадку – «сенсорну» інформацію про звук і «модулюючу» – про удар струмом). Почесну роль запам'ятовує на себе лише деяка частина цих нейронів, а саме ті, в ядрах яких виявилося більше білка CREB. Це, загалом, логічно, оскільки висока концентрація CREB в ядрі якраз і робить такі нейрони найбільш схильними до швидкого відрощування нових закінчень.

Незрозумілим залишається механізм, за допомогою якого інші нейрони дізнаються, що справа вже зроблена, переможці названі і їм уже не потрібно нічого собі відрощувати.

Цей механізм може бути досить простим. Абсолютно аналогічна система регуляції відома у нитчастих ціанобактерій, нитки яких складаються з двох типів клітин: звичайних, які займаються фотосинтезом, і спеціалізованих гетероцист, що займаються фіксацією атмосферного азоту. Система працює дуже просто: коли спільноті бракує азоту, фотосинтезуючі клітини починають перетворюватися на гетероцисти. Процес до певного моменту є оборотним. Клітини, що зайшли цим шляхом досить далеко, починають виділяти сигнальну речовину, яка не дає перетворитися на гетероцисти сусіднім клітинам. В результаті виходить нитка з певним цілком певним співвідношенням звичайних клітин і гетероцист (наприклад, 1:20), причому гетероцисти розташовуються приблизно на рівній відстані один від одного.

На мій погляд, називати подібні регуляторні механізми «конкуренцією», як це роблять автори статті, не зовсім правильно, акцент тут має бути іншим. Нейрон не отримує жодної особистої вигоди від того, що саме він візьме участь у запам'ятовуванні. По-моєму, тут доречніше говорити не про конкуренцію, а про справжнісіньку кооперацію.

За матеріалами: 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.