Наша память устроена парадоксально. Чтобы достать воспоминание из мозга, нужно не взять его «на полке», а активировать целую сеть нейронов. А главное, что в результате мы достаём не совсем то, что туда положили. Почему это так, какие мозговые процессы формируют след памяти, и почему он меняется?
Что такое память на научном уровне не вполне понятно даже нейрофизиологам. Чем больше они исследуют память, тем больше загадок и парадоксов находят. В узком смысле под памятью мы понимаем память на какие-то события, которые можем воспроизвести в голове с большей или меньшей точностью. Но это лишь один из её видов — эпизодическая. В широком смысле память включает все наши знания, умения, навыки — весь наш индивидуальный опыт.
Можно ли поставить здесь знак равенства? «Да, — отвечает руководитель отдела нейронаук НИЦ Курчатовский институт, член-корреспондент РАН и РАМН Константин Анохин. — Всё, что сохранялось в памяти — а теперь мы знаем, что не просто сохранялось, но переписывалось, повторялось, — всё, что было, плюс наши многие копии и интерпретации этого и есть наш индивидуальный опыт. Это все индивидуальные эпизоды, оставившие долговременный след в мозге». Наряду с этим есть мимолетные, незначительные эпизоды, которые не оставляют долговременного следа.
Ещё в конце 19 века немецкий психолог Герман Эббингауз показал, что память может быть кратковременной и долговременной. Он проводил опыты на себе. Взял около двух тысяч карточек с бессмысленными слогами, тасовал их и сам себе предъявлял, а потом пытался вспомнить. Выяснилось, что в первые минуты после предъявления, он способен воспроизвести почти всю информацию, но через 15-20 минут — лишь 30-40%. Однако, эта оставшаяся информация сохранялась очень долго, в течение недель и месяцев. Так Эббингауз пришел к выводу, что память состоит из двух фаз, а между ними есть переходный процесс.
Другие учёные, Мюллер и Пельзеккер, развили эксперимент Эббингауза. И показали, что если сразу после предъявления испытуемому набора карточек показать ему второй набор карточек, то от первого набора в памяти почти ничего не остается. Происходит наложение информации (интерференция). Но если второй набор карточек показать через несколько минут, испытуемые запоминают оба. Значит, кратковременная память неустойчива к внешним воздействиям. Но если она перешла в долговременную фазу, то становится стабильной.
Только в середине XX века исследователи стали изучать память не как психологический, а как нейрофизиологический феномен. «То, что на протяжении веков считалось свойством человеческой души, нашей личности, было осознано как биологический процесс», — говорит Константин Анохин.
Прежде всего, учёные стали искать ответ на вопрос, на чем записана память, что служит её носителем. Существовала точка зрения, что каждый эпизод памяти хранится в отдельной зоне мозга, но было непонятно, как хранится. Ведь проведение импульса по нервным клеткам занимает доли секунды, а в месте контакта — синапса, где он передается химически при помощи нейромедиаторов, — их остатки после работы захватываются обратно мембраной клетки. Очевидно, что природа долговременного хранения информации должна быть не электрической, а химической. И носители памяти должны быть очень прочными. Белки не подходят, так как за несколько недель в клетке они полностью обновляются.
Идея, что память может быть как-то связана с ДНК, с генами, возникла у нейробиологов на рубеже 1950–1960-х годов. Идея состояла в том, что когда мозг чему-то учится, в клетках, запоминающих информацию, изменяется активность определённых генов.
Понять, что это за гены, удалось исследовательской группе Константина Анохина и параллельно другой команде из Германии и Польши. В 1987 году учёные нашли, что некоторые гены (c-fos и другие из этой группы), активны во время эмбрионального развития мозга, вовлечены и в процесс обучения и формирования памяти. Исследователи обнаружили, что в мозге мыши или крысы, находящейся в привычной для неё обстановке, c-fos не экспрессируется. Но когда животное попадает в новую обстановку, происходит бурный всплеск активности этих генов во множестве клеток мозга. Эти гены кодируют белки, влияющие на работу прочих генов, запуская тем самым очень многие процессы в клетке. Клетка под влиянием обучения перестраивает свою работу. По словам Константина Анохина, каждый эпизод памяти — это всплеск процессов развития, эпизод морфогенеза во взрослом мозге.
Как оказалось, между процессами обучения и развития вообще много общего. «В момент развития нервной системы происходит образование связей между клетками и формируется сеть, которая определяет специфику ответов на те или иные сигналы, и при обучении тоже формируется сеть нейронов. С другой стороны, оказалось, что многие молекулы — рецепторы, трансмиттеры, участвующие в передаче сигналов во взрослой нервной системе, участвуют также и в образовании связей при её развитии».
Когда экспрессируются гены, идет синтез белков. Чтобы проверить роль этого процесса в памяти, учёные проводили такие эксперименты. Они обучали цыплят, которые клюют любой новый предмет. Они подкладывали им горькие бусинки, пропитанные хинином. Попробовав их на вкус, цыплята отплевывались, мотали головой и очень быстро учились горькую бусинку избегать. Но, если им сразу после обучения вводили вещество, блокирующее синтез белка, память не формировалась. Цыплята клевали бусинку так, как будто они видели её в первый раз. А если синтез белка блокировали не сразу, а через некоторое время, цыплята запоминали горькую бусинку. Это значит, что в первом случае была невозможна консолидация памяти — переход из кратковременной в долговременную фазу. А во втором случае уже сформировалась устойчивая долговременная память.
Так были получены доказательства, что материальный носитель долговременной памяти в клетках — это активность определённых генов (их назвали ранними генами), которые запускают синтез белков и активируют вторую волну — так называемые поздние гены. И уже последние, в свою очередь, перестраивают работу клетки. Перестройка включает энергетические процессы («клетка напрягается, чтобы что-то запомнить»), синтеза рецепторов, нейромедиаторов и пр. Но в памяти участвуют ещё и так называемые эпигенетические механизмы — химические модификации ДНК и белков.
Остаётся вопрос, в каких клетках мозга происходит эта перестройка, то есть, где именно в мозге хранятся следы памяти, можно ли разложить её по зонам мозга. «Память — это не библиотека, не чулан с коробками, это вообще не хранилище чего-то, уложенного в какие-то ёмкости, — говорит нейролингвист Татьяна Черниговская, профессор Санкт-Петербургского государственного университета, заведующая лабораторией когнитивных исследований, — хотя ещё вчера это было совсем не очевидно. Это всегда процессы, более того, всегда новые, которые обеспечиваются миллионами разных клеток. Вопрос о том, где что хранится, вообще неправильно поставлен. Нет таких мест. Память — это распределённая сеть».
Итак, в масштабах целого мозга память записана в нейронной сети. При каждом новом обучении формируется новая нейронная сеть. И современные технологии позволяют эту сеть увидеть, визуализировать. Такую задачу решает проект «Прозрачный мозг», над которым работала исследовательская группа Константина Анохина в отделе системогенеза НИИ нормальной физиологии РА МН.
Учёные просветлили «чёрный ящик» мозга, сделали его оптически прозрачным. Для этого при помощи специальной обработки, ткань мозга мыши избавляют от воды, лишних белков и липидов. И тогда, поместив его в специальный раствор с соответствующим коэффициентом преломления, через него можно даже читать текст.
В прозрачном мозге исследователям нужно увидеть интересующие их белки, а для этого их следует пометить, например, флуоресцентным красителем.
Просветлённый мозг изучают в установке, состоящей из лазера, флуоресцентного микроскопа, устройства перемещения образца и видеокамеры. Это метод ультрамикроскопической оптической томографии. Луч лазера оптически разрезает мозг подобно тому, как нож в микротоме режет ткань на ультратонкие срезы. Камера снимает срезы с заданным шагом, например 10 микрон, а затем программа собирает эти виртуальные оптические срезы в виртуальное трёхмерное изображение целого мозга.
Исследования показали, что в мозгу мыши, столкнувшейся с новым для неё запахом, немедленно активизировался один из ранних генов, и продукт экспрессии этого гена наблюдается в окрашенных ярко-зелёным цветом клетках мозга.
Более детально можно изучить работу генов при обучении в гиппокампе — это очень важная для памяти часть мозга. В трёхмерном изображении гиппокампа, полученном методом ультрамикроскопической оптической томографии, можно не только увидеть, но и посчитать все клетки, в которых при данном обучении экспрессируется ген c-fos.
Гиппокамп служит, таким образом, связующим звеном между разными участками большой нейронной сети, в том числе корковых представительств, для формирования интегрального когнитивного образа. В этой сети разные участки коры взаимодействуют между собой не напрямую, а через гиппокамп.
Так и получается, по словам Татьяны Черниговской, что «в мозге все вещи как бы и имеют место жительства, и не имеют. Функции одновременно и локализованы и не локализованы». А ещё, на образном языке, память устроена так, что до её потайных уголков можно добраться при помощи особых меток.
«Некоторое время назад я перечитала книгу под названием «Пруст был нейроучёным», — рассказывает Татьяна Черниговская.
— Как мы понимаем, Марсель Пруст никаким нейроучёным не был, а был гениальным писателем, но творцы умудряются делать открытия, не подозревая об этом, за десятки лет до того, как наука к этому приблизится. Романы Пруста — это учебник для тех, кто занимается памятью. Один из героев романа Пруста «В поисках утраченного времени» (а этот герой и есть сам автор), в какой-то момент в Париже, будучи взрослым человеком, попробовал пирожные Мадлен. Прошло много лет после того, как в детстве, когда он жил во французской провинции Комбре, его тётушка пекла ему эти божественные пирожные. Потом пошла бурная жизнь в большом мире, в Париже, он про них и не вспоминал. И когда он снова попробовал пирожное, то его память вспыхнула, и он вернулся в мир, который он тогда считал скучным и, из которого хотел поскорее вырваться. Будучи взрослым, он осознал, что это «потерянный рай», и с тех пор стремился туда.
К чему это всё? К тому, что вот таким парадоксальным образом устроена наша память. Можно ещё вспомнить Мальчика-с-пальчик, которого жестокие родители отвели в лес, но он по дороге кидал на землю белые камешки, чтобы запомнить путь. Наш мозг наполнен разными метками, которые позволяют нам ориентироваться. И добираться до самых глубоких закоулков памяти.
Самое неожиданное для нас заключается в том, что памяти нельзя абсолютно доверять, потому что она меняется. Константин Анохин в одной из лекций сравнил память со Шляпой волшебника. «Если вернуться к литературному прообразу (книга Туве Янссон про Муми-тролля), мы не способны предсказать, что окажется под этой шляпой в следующий раз, когда мы под неё заглянем. В большинстве случаев оказывается что-то похожее, но никакого закона, гарантирующего, что это будет похожее, нет. И что именно там окажется, наше сознание не имеет способов предсказать».
В качестве примера собеседник «Деталей мира» привел рассказ шведского психолога, который пытался исследовать это на себе. Когда случилось убийство Улафа Пальме, а это было шокирующее событие для страны, он записал обстоятельства, в которых об этом узнал. А через год попытался это вспомнить и записал свои воспоминания. Когда он сопоставил две записи, оказалось, что они совершенно разные: «Ничего общего между тем, что он нашел под шляпой, когда поднял её через год, и тем, что он положил под шляпу, не было». «Есть свойство таких волшебных трансформаций памяти, что вы точно знаете, что все было так, как вы вспомнили об этом в последний раз, а не так, как было на самом деле»,— комментирует Константин Анохин.
«Означает ли это, что мы не можем доверять нашей памяти?» — спрашиваем мы учёного. «Мы должны быть с ней осторожны, — отвечает Константин Анохин. — Но мы можем ей доверять, потому что статистически, в биологической эволюции, память адаптивна. Если бы она всё время нас обманывала, то либо память вообще бы не развилась, либо мы вымерли, полагаясь на её ошибки. В общем и целом она нам говорит правильные вещи, которые в повторяющемся и актуальном мире она может предсказывать. Но при этом она может делать и кульбиты. Каждое воспоминание обычно мутирует не очень сильно, а сильные изменения касаются не всех эпизодов. То есть статистически всё более-менее работает. Но мы не можем точно сказать, что вот именно этот эпизод не подвергся мутации».
Память изменяется не тогда, когда она хранится в мозге, а тогда, когда извлекается на свет, то есть, когда мы вспоминаем. Вот как это объясняет Татьяна Черниговская: «Как в одну реку нельзя войти дважды, точно так же нельзя два раза одинаково вспомнить какую-либо вещь. Каждое следующее вспоминание является новым процессом. Если перевести это на компьютерный язык, то если вы новую редакцию какого-то файла будете записывать под тем же именем, то, как все мы знаем, предыдущая версия сотрется и на неё наложится новая».
Константин Анохин и его коллеги в эксперименте на животных открыли механизмы трансформации памяти. Цыплята твёрдо запомнили, что бусинку клевать нельзя — она горькая. Бусинку показывают через длительное время — цыплята её не клюют. Но при этом, как показали учёные, в их мозге зачем-то снова активируются ранние гены (c-fos и другие). Как будто они снова запоминают. Экспериментаторы взяли и заблокировали в этот момент синтез белков — и цыплята забыли, казалось, уже прочно выученный навык. Это означало, что в момент извлечения информации из мозга одновременно шла её перезапись, и без синтеза белка эта перезапись оказалась невозможна.
«Каждое следующее извлечение памяти — это активная реконструкция того что было, это перезапись новой версии, которая может изменять или угашать предыдущую, — объясняет Константин Анохин. — Этот процесс получил название реконсолидация памяти. Этот феномен универсален, он существует у нас с вами. Вот совсем неочевидный факт. Достаточно взять старое воспоминание, которое, казалось бы, улеглось достаточно плотно, извлечь его и в этот момент дать новую информацию, новую задачу, и это может ослабить или разрушить старое, казалось, давно упрочившееся воспоминание. Таким способом можно стирать травматические воспоминания».
И поскольку воспоминания — это активная реконструкция, искажения неизбежны. В новой обстановке, когда мы что-то вспоминаем, работает новая нейронная сеть, которая взаимодействует со старой и изменяет её. Если обратиться к компьютерной аналогии, то «вы открываете файл (например, pdf), читаете его и закрываете, а он оказывается изменён, в зависимости от того, как вы посмотрели на экран».
Ещё одно интересное свойство памяти — то, что она, по мнению некоторых исследователей, направлена не в прошлое, а в будущее. «Несмотря на многовековую традицию относиться к памяти как к отпечаткам прошлого, более внимательный анализ показывает, что память имеет проспективные функции. Опыт прошлого используется для того, чтобы планировать и воображать будущее. Оказывается, что люди, не способные вообразить и спланировать своё будущее, не способны и вспомнить своё прошлое».
Известный случай феноменальной памяти — пациент по фамилии Шерешевский, с которым в течение 30 лет работал психолог Александр Лурия. Шерешевский мог запомнить огромный объём бессвязной информации: бессмысленные наборы сотен и тысяч фактов, цифр и слов. Всё запомненное он практически не забывал. В 20-х годах прошлого века Шерешевский работал репортером в газете и пришел проверить свою память по инициативе редактора газеты (того удивляло, что молодой человек никогда не записывает редакционные задания, но в точности их выполняет). Лурия был озадачен возможностями его памяти, он с точностью воспроизводил длинные ряды букв и цифр, как сразу, так и через несколько месяцев и даже через несколько лет. Казалось, его память не имеет границ. Кроме того, Шерешевский обладал способностью, не доступной почти никому, — помнил себя с первых недель своей жизни.
Дальнейшие исследования показали, что Шерешевский был синестетиком --- человеком, способным воспринимать одну модальность чувств через другую. Поэтому слова, цифры и буквы превращались у него в наглядные образы, которые стойко сохранялись в памяти. При запоминании рядов несвязанных между собой слов, например, он мысленно расставлял эти образы в ряд по какой-то знакомой ему дороге. Учёные предполагают, что в свойстве синестезии кроется объяснение феноменальной памяти этого удивительного пациента. Эта гипотеза нашла подтверждение: когда учёные собрали людей, имеющих необычную память, выяснилось, что почти все они — синестетики.
Когда стали изучать их мозг с помощью магнитно-резонансной томографии, обнаружили, что у синестетиков сохраняются необычные связи между отделами коры мозга, отвечающими за разные чувства человека. Обычно же эти связи исчезают ещё в детском возрасте. Поэтому у синестетиков, например, на зрительные стимулы активируется обонятельная кора, поэтому зрительные образы приобретают запах и т.д.
Самый известный случай нарушения памяти произошел у пациента, который фигурирует в литературе как пациент Эйч-Эм (НМ). Он с детства страдал приступами эпилепсии, и чтобы избавить его от них, ему в 27 лет провели нейрохирургическую операцию. В обоих полушариях мозга ему удалили часть гиппокампа — тогда понятия не имели, что эта структура очень важна. Эпилептические судороги уменьшились, но Эйч-Эм полностью потерял способность запоминать. Каждый следующий момент был для него новым. Его называли человеком, живущим одним днём. Он прожил 82 года, и всю жизнь продолжал считать, что ему 27 лет, а президент США Дуайт Эйзенхауэр.
Голландские учёные из Медицинского центра Университета Маастриха получили доказательства, что человеческий плод обладает памятью ещё до рождения. В эксперименте участвовали с добровольного согласия 93 беременные женщины. Цель исследования состояла в том, чтобы изучить, как плод отвечает на некую внешнюю стимуляцию и может ли он её запоминать. Женщинам, которые удобно расположились в кресле, каждые 30 секунд на живот подавали виброакустический стимул длительностью в одну секунду. Для этого использовали специальный виброакустический стимулятор для плода. Плод реагировал на этот стимул движением, которое было видно при ультразвуковом сканировании. Через какое-то число повторяющихся стимулов у плода наступало привыкание — он переставал реагировать на стимул.
Привыкание физиологи рассматривают как простейшую форму обучения. Так что первое, что установили исследователи, — в возрасте от 30 недель человеческий плод способен к элементарному обучению. Когда эксперимент повторили на сроках от 34 и 38 недель, выяснилось, что плод достоверно быстрее перестает реагировать на стимул, а иногда вообще не реагирует. А это — признак того, что у него сформировалась долговременная память, пишут учёные в журнале Child Development.
