Данная статья представляет собой общее описание законов работы человеческой памяти и является первой из подраздела «Теоретический минимум» для курса «Эффективные методы обучения». Статья рассчитана на читателя незнакомого с тем, что такое нейроны, как они взаимодействуют внутри мозга, как устроена человеческая память и почему наш мозг любит обманывать сам себя.
Что такое нейроны и как они работают в мозге?
Нейрон — общее представление
Человеческий мозг — очень сложная штука. Для понимания как работает память, тебе стоит знать, что мозг состоит из нейронов — маленьких клеток, связанных между собой с помощью отростков (аксонов и дендтритов). В упрощённом виде это можно сравнить с паутиной, только паутину паук плетёт чаще всего в виде плоскости, а нейроны соединяются во всех направлениях!
Мозг — сеть нейронов, связанных во всех направлениях
Паутина — сеть связанных нитей на плоскости
Аксон одного нейрона присоединяется к телу, дендритам или аксону другого нейрона. Место контакта одного нейрона с другим называется синапсом.
Схематичное изображение нейрона и подсоединённых к нему отростков-аксонов от других нейронов
В нашем мозге нейронов множество — около 100 миллиардов. Кроме мозга, нейроны обеспечивают работу всего организма — от головы они доносят информацию к внутренним органам, мышцам, коже. Сердце бьётся — нейроны говорят ему как часто это делать. Чувство голода — это нейроны получили сигнал о нехватке энергии или определённых элементов в организме и «создали» желание пойти покушать. Читаешь у доски стихотворение которое учил дома и не можешь вспомнить строчку? Связь между нейронами оказалась слабой и они не могут восстановить последовательность загруженной тобой в мозг информации.
Как друг с другом общаются нейроны?
Нейроны способны передавать друг другу информацию с помощью электричества. Каждая твоя мысль или действие задействует цепочку связанных между собой нейронов, по которой пробегает электрический импульс.
Электрические импульсы между нейронами
Каждый нейрон переплетается примерно с 10 000 других нейронов. Чем прочнее нейронные связи — тем лучше отлажена система работы всего организма, мы лучше запоминаем, быстрее принимаем решения, совершаем более точные действия. У детей связей меньше, но они образуются быстрее, именно поэтому ребёнку гораздо проще выучить что-то новое — его нейроны ещё не сформировали устойчивых связей.
Второй фактор, влияющий на эффективность взаимодействия между нейронами — энергия. Энергия не появляется из ниоткуда и не исчезает бесследно — это один из базовых принципов нашего мира! Чтобы передать другому нейрону электрический импульс, нужно его сгенерировать. Именно поэтому до 60% всей энергии у ребёнка уходит на обеспечение деятельности мозга — формирование устойчивых нейронных связей требует много энергии. По мере взросления этот показатель в среднем снижается до 20%, но мозг остаётся всё равно самым энергозатратным органом в теле человека. Энергию организм человека получает во время переваривания еды и последующей доставки получившихся элементов к клеткам организма, в том числе — нейронам. Поэтому для хорошей обучаемости важно регулярно и правильно питаться! (Подробнее о влиянии питания на процесс обучения будет рассказано в 4-й статье «Теоритического минимума»)
3d-визуализация работы мозга, созданная исследователями из Калифорнийского университета (США). Светящиеся линии — это возбуждающиеся нейроны, реагирующие на поступающие из внешней среды сигналы (то, что мы слышим, видим, нюхаем и т.д.), а также наши мысли.
Учитывая высокий расход энергии на работу нейронов, наш мозг старается оптимизировать все процессы взаимодействия между ними. Поэтому если один раз образовавшаяся связь между нейронами больше не используется — через какое-то время она исчезает, чтобы иметь возможность задействоваться при необходимости в другом месте.
Пример: практически невозможно выучить стихотворение прочитав его всего один раз. Если не повторить его многократно, нейронные связи, образованные в результате получения информации из стихотворения, вскоре ослабнут и распадутся — даже вспомнить сам факт чтения этого стиха будет проблематично.
Полная картография нашего мозга невозможна?
Проект картографирования всех точек соединения нейронов называется коннекто́м (англ. connectome). Пока удалось описать только коннектом червя-нематоды размером около 1 мм, чья нервная система состоит из немногим более 300 нейронов.
Что же касается описания коннектома человеческого мозга, в котором ~ 86 млрд нервных клеток, — до сих пор нет даже общего представления о масштабах этого проекта.
Ясно лишь, что он куда сложнее, чем расшифровка человеческого генома или даже протеома (совокупности белков).
Ученые, например, предпринимают попытки описать таким образом мозг крысы. «Закартрировали участок размером со спичечную головку — это заняло терабайты памяти. И непонятно, что с таким объемом информации делать», — говорит российский антрополог и популяризатор науки Станислав Дробышевский. Он подчеркивает, что проблема еще и в том, что осмыслить результаты этих исследований мы пытаемся «всё тем же мозгом, который уже не вмещает информацию о нем самом — получается замкнутый круг». Для понимания работы нашего мозга нужен «больший, чем наш, мозг».
Каналы восприятия информации
Чтобы что-то запомнить, мозгу сначала требуется получить информацию (опыт). Человек получает информацию посредством шести основных органов чувств:
- глаза (зрение),
- уши (слух),
- язык (вкус),
- нос (обоняние)
- кожа (осязание, ощущение боли, температуры).
- вестибулярный аппарат (чувство равновесия и положения в пространстве, ускорение, ощущение веса)
Схематичное изображение отделов мозга и их функций
Большую часть образовательной информации мы получаем посредством визуального (глаза), аудиального (слух) и кинестетического (движения, осязание, равновесие) каналов. При этом у разных людей соотношение эффективности восприятия этих каналов отличается — кто-то может один раз взглянуть на картину и сразу её запомнить, кто-то лучше запомнит её только если услышит описание картины, кому-то требуется потрогать её руками. Соответственно, людей по предпочтениям к каналам получаемой информации можно условно разделить на аудиалов, визуалов и кинестетиков.
При этом следует понимать, что предпочтение не означает отсутствие восприимчивости других каналов, они также очень важны для построения четких и легко воспроизводимых воспоминаний\знаний.
По нейронам от органов чувств информация поступает в мозг, к другим нейронам, которые занимаются её оценкой, обработкой и сохранением.
Запоминание — это тренировки
С точки зрения мозга запоминание и обучение — это в буквальном смысле тренировка, как в спортзале. Мы даём мозгу команду запомнить и воспроизвести что-то много раз — информацию, действие, слово или что-то ещё. Нейронные связи, отвечающие за это действие, активно используются и становятся сильнее.
Какие отсюда выводы:
- Нельзя натренироваться впрок. Тренироваться нужно порционно, давая себе восстановиться.
- Невозможно за один раз раскачаться с нуля до «Мистера Вселенная». Каждая тренировка — это небольшой шаг в сторону вашей цели.
- Лучше сорок раз по разу, чем ни разу сорок раз.
- Нельзя однажды выучить и запомнить навсегда. Нужно периодически тренироваться и держать себя в форме. Попробуйте сейчас вспомнить таблицу умножения, серьёзно.
Влияние гормонов
То, как часто проходит электрический ток между нейронами и какова сила этого тока определяется количеством специальных веществ — гормонов-нейромедиаторов. (медиатор = посредник)
Пример: продавец в магазине это посредник, который передаёт нам товар принадлежащий владельцу магазина. Т.е. посредник — это тот кто передаёт некий предмет между двумя объектами.
Гормоны вырабатываются в специальном месте мозга, и некоторыми внутренними органами в теле. В нейронах гормоны хранятся в синаптических пузырьках.
Чтобы передать информацию нейроны обмениваются гормоном Дофамином (D)
Схематичное изображение синапса — места соединения между двумя нейронами
Страх, радость, удивление — все эти эмоции не только являются проявлением реакции мозга на внешние раздражители, но и привязаны к выбросу определённых гормонов в пространство между нейронами. Если эмоции нам нравятся — мозг привязывает связанные с ними события к выработке гормона удовольствия и нам становится «интересно» или «приятно» совершать действия, приводящие к повторному выбросу этого гормона.
Пример: учить таблицу умножения скучно и неинтересно, потому что мозг не знает о важности этого навыка и не выбрасывает в кровь гормоны удовольствия. Сами цифры — лишь символы на бумаге, мысленное оперирование этими цифрами тем сложнее от недостаточности информационного сопровождения. Оценив затраты энергии и не найдя для них обоснования, мозг начинает препятствовать бессмысленному на его взгляд процессу изучения умножения — нас постоянно что-то отвлекает, мы начинаем хотеть спать, злимся из-за вылетающих из головы «дурацких цифр».
Таблица умножения
При этом процесс игры на компьютере для мозга гораздо более наглядный источник информации — там есть звук и меняющаяся картинка. Движение персонажа в игре для мозга ощущается как твои собственные движения — работают все три основных канала информации!
Скриншот из игры Ведьмак 3
Кроме того, при прохождении игрового уровня или совершения действий в игре тебе дают какой-то приз (опыт, игровые вещи, валюта) — для мозга это явный сигнал выработать гормон удовольствия, ведь мозг бессознательно не понимает, что полученные в результате игры навыки скорее всего не пригодятся, а вещи и игровые деньги — лишь картинки в мониторе, которые нельзя использовать в реальной жизни.
В результате, для мозга процесс компьютерной игры становится очень приятным и увлекательным, а процесс изучения таблицы умножения превращается в мучительную зубрёжку, от которой болит голова.
Таким образом, выброс тех или иных гормонов это один из способов мозга для торможения или возбужения нейронов, в зависимости от принятого им решения о целесообразности мыслительной деятельности на данный момент.
Память — это не хранилище, а способность
Часто думают, что мозг — это такой накопитель информации, как в компьютере: загрузил в него информацию, она там в неизменном виде осталась.
Но правильнее смотреть на память как на действие: благодаря определённым способностям мозга мы можем воспроизводить какую-то информацию, которую встречали раньше (или не информацию, а поведение).
Мы не можем помнить и воспроизводить 100% того, с чем мы сталкиваемся в жизни, поэтому наша память избирательна: мы запоминаем только то, что мозг считает важным.
Память, как и любые навыки, можно тренировать. Память тесно связана с физическим состоянием мозга и его химией. Развивать память только волевыми усилиями можно лишь до определённых пределов.
Сознание, инстинкты и рефлексы
В примере выше использовано слово «бессознательно». Если объяснить совсем просто, бессознательная часть нашего разума это все наши мысли и знания, которые мы не используем в данный момент.
Пример: ты не думаешь над тем, как дышать. Ты просто дышишь, даже не замечая этого. Бессознательно твой мозг отдаёт команду мышцам груди и живота сокращаться особым образом, поддерживая дыхательный процесс. Но! Ты можешь перестать дышать сознательно, задержать дыхание, или наоборот — вдохнуть полной грудью, столько воздуха сколько сможешь — это твоё осознанное (или сознательное) решение.
В бессознательной части нашего разума происходит множество процессов, целых цепочек взаимодействий между органами и различными областями мозга. Там же хранится огромный пласт нашей памяти. Если мозг воспринимает информацию или последовательность действий как важные — он формирует нейронные связи в бессознательной части. Когда мы только начинаем учиться ездить на велосипеде или читать, нам требуется масса усилий — держать баланс, вспоминать название и значение слов (потому что всё это делается осознанно, мы контролируем процесс), но спустя какое-то время мы выполняем все эти действия не задумываясь (мы не контролируем процесс, это делает бессознательная часть).
Цепочка простых бессознательных действий являющаяся реакцией на раздражитель называется рефлекс. Рефлексы делятся на условные и безусловные.
Безусловные рефлексы — врождённые действия, необходимые для обеспечения самых основных потребностей организма. Дыхание, следование взгляда за движущимся объектом, моргание — всё это безусловные рефлексы.
Условные рефлексы — это приобретённые в результате взаимодействия с окружающим миром цепочки действий. Езда на велосипеде и процесс распознавания значения слова во время чтения — это условные рефлексы.
Кроме того, у человека существуют комплексы сложных врождённых бессознательных действий, которые называются инстинктами. К инстинктам относятся: требование ощущения безопасности, голод, желание спать, продолжение рода, любопытство. Часть инстинктов начинают действовать только с определённого возраста (например инстинкт продолжения рода), часть начинает ослабевать со временем (с возрастом люди становятся менее любопытны, так как мозг уже сформирован и не нуждается в большом количестве информации), но такие инстинкты как самосохранение, требование сна или голод остаются с человеком почти всю жизнь.
Где находится память
Памятью называют способность к запоминанию, накоплению и извлечению полученных сведений. Сколько может запомнить человек, зависит от его внимания.
Память формируется несколькими участками головного мозга: корой мозга, мозжечком, лимбической системой. Но в большей степени на нее влияют височные доли мозга. Процесс запоминания происходит в гиппокампе. Если повреждена височная область с одной стороны, то память становится хуже, но при нарушениях в обеих височных долях процесс запоминания полностью прекращается.
Функционирование памяти зависит от состояния нейронов и нейромедиаторов, обеспечивающих связь между нервными клетками. Они концентрируются в области гиппокампа. К нейромедиаторам относят и ацетилхолин. Если этих веществ не хватает, то память значительно ухудшается.
Уровень ацетилхолина зависит от количества энергии, производимой в процессе окисления жиров и глюкозы. Нейромедиаторы концентрируются в органе в меньших количествах, если человек переживает стресс или страдает от депрессивных состояний.
Как же работает память?
Итак, мы подошли к самому интересному. Учтя всё вышеперечисленное, стоит выстроить схему работы памяти и привести несколько наглядных примеров.
Долговременная и кратковременная память
Получая первичную информацию от органов чувств или размышляя над чем-нибудь мозг формирует опыт в кратковременной памяти. Эта память представляет собой временные нейронные связи, их количество ограничено, поэтому мы не можем удержать в уме сразу много информации. Внешние факторы также могут влиять на процесс переноса информации в кратковременную память. Таким образом, существует некий «фильтр» перед попаданием информации в долговременную память.
Пример: учить стихотворение, когда рядом играет музыка на полной громкости весьма проблематично, так как аудиальный информационный канал перебивает визуальный канал, через который мы читаем слова. Также, учить стихотворения не получится во время сильных переживаний или интенсивных размышлений — если все мысли заняты предстоящей вечеринкой с друзьями, места для строчек стиха не остаётся, они признаются незначительными и не переносятся в долговременную память. Отсюда же происходит выражение «потерял мысль» — находящаяся в кратковременной памяти информация была признана мозгом неважной и утрачена.
Далее, этот опыт подвергается анализу, учитывается ранее имеющаяся бессознательная информация (инстинкты и рефлексы, полученные ранее и запомнившиеся знания) и текущая сознательная информация (мысль «мне нужно выучить урок иначе я получу двойку и родители будут ругаться»). В зависимости от испытываемых в данный момент эмоций подключаются гормоны, которые стимулируют мозг поглощать входящую первичную информацию активнее или тормозят её поток, пытаясь переключить внимание и прервать процесс поглощения «ненужной» информации (удовольствие от процесса компьютерной игры или раздражение от трудности изучения таблицы умножения) .
В кратковременной памяти информация хранится 20-30 секунд, затем мозгом принимается решение о перенесении информации в долговременную память. Если переноса опыта из кратковременной памяти не произошло — он исчезает (временные нейронные связи разрываются) и мы больше не помним этот опыт. На то, будет ли информация перенесена в долговременную память влияет несколько факторов:
- повторяемость
- вовлечённость
- сила восприятия
- предварительный опыт в долговременной памяти
- достаточность энергии
Общая схема процесса обработки информации и её сохранения С повторяемостью всё просто — мы «долбим» в мозг одной и той же информацией, он принимает решение, что каждый раз воспринимать и обрабатывать эту информацию слишком энергозатратно и сохраняет её в долговременную память.
Вовлечённость зависит от эмоций, которые привязаны к выбросу гормонов. Процесс компьютерной игры вызывает у нас положительные эмоции — мы «увлекаемся» игрой и можем сидеть за ней часами, в то время как изучение домашнего задания (без осознания важности процесса!) легко прерывается желанием проверить свою страницу в социальной сети или телефон на предмет возможно пришедшего сообщения.
Сила восприятия — это интенсивность поступающей информации. Громкость, яркость, боль, количество информационных каналов — всё это формирует общий уровень силы восприятия. Просто яркая вспышка на экране монитора без звука и такая же яркая вспышка с громким хлопком — воспринимаются и запоминаются совершеннопо разному (для проверки — попробуй включить два незнакомых видеоклипа одного исполнителя на youtube, но во время ознакомления у одного из них выключи звук, а затем попробуй описать эти клипы).
Предварительный опыт в долговременной памяти — важнейший фактор! Необходимость экономии энергии заставляет мозг цеплять нейронные связи с новой информацией к уже существующим связям, нейроны которых обрабатывали похожую информацию в прошлом. Слишком сложная информация, базовые понятия которой отсутствуют в долговременной памяти, либо не будет усовена мозгом, либо сохранится без связей с другими нейронами. Даже «зазубрив» такую не связанную с предыдущим опытом сложную информацию ты не сможешь её быстро извлечь в краткосрочную память, чтобы применить при обработке новой информации. Поэтому в школе сначала изучают сложение\умножение и лишь в конце обучения начинаются логарифмы и интегралы — без базовых математических знаний использовать сложные термины и конструкции практически невозможно.
Достаточность энергии позволяет мозгу выделить необходимое количество своей мощности для обработки информации. Если мы очень сильно хотим есть или спать, все мысли будут только об этом, а попытки выучить что-либо будут прерываться бурчанием в животе или «слипающимися» глазами.
Где живет наша память? «В МИРЕ НАУКИ» № 10
Память — эфемерная структура, с трудом поддающаяся измерению. Лимит человеческой памяти неизвестен, а изучение ее механизмов занимает важнейшее место среди вопросов познания мозга. Чем травматическая память отличается от обычной и где хранятся наши воспоминания? Чего не хватает для построения единой теории мозга? На эти и многие другие вопросы отвечает начальник лаборатории нейронаук Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий, нейробиолог Ольга Игоревна Ивашкина.
— Локализована ли память где-то конкретно в мозге? Верно ли, что гиппокамп, пускай он и отвечает за перевод памяти из кратковременной в долговременную, все же не служит средоточием памяти в глобальном смысле?
— Верно. С одной стороны, мы не можем отрицать анатомическую структуру, а с другой — нельзя сказать, что какая-то функция, в том числе память, ограничена лишь одной анатомической структурой, а значит, истина находится где-то посередине.
Известно, что память и ее отдельные эпизоды распределены в сетях нейронов, а эти нейроны, в свою очередь, распределены по всему мозгу. Какие нейроны и из каких структур будут входить в сеть конкретного памятного эпизода, зависит оттого, какой это эпизод. Например, если я вспоминаю мелодию какой-то песни, то, конечно, буду задействовать слуховые нейроны, центры речи и т.д. Если же я вспоминаю то, чего боюсь, то в такую сеть будут входить нейроны структуры, которая называется «миндалина» и связана с эмоциями, страхами и т.д.
Гиппокамп действительно очень важен для памяти, и если по какой-то причине он будет разрушен или будет нарушена его функция, тогда и возможности запоминания будут существенно снижены.
Генри Молисон. https://ru.wikipedia.org/
— Сразу вспоминается знаменитый пациент Г.М. (Генри Густав Молисон), который разучился что-либо запоминать после того, как у него были удалены части гиппокампа.
— Да, именно так. Хотя теперь мы знаем, что во время операции у Г.М. пострадал не только гиппокамп, но и несколько областей коры головного мозга, а также миндалины.
И все же гиппокамп — это лишь некоторые формы памяти; он, например, никак не влияет на моторную память. Умение ездить на велосипеде или играть в футбол — это моторная память, которая зависит от совершенно других структур.
— От каких?
— В основном это моторные области коры и мозжечок. Кроме моторной существуют и другие формы памяти, которые никак не зависят от гиппокампа. Например, есть такая форма обучения — вкусовая аверсия. Представим, что мы попробовали что-то новое, какой-нибудь экзотический фрукт, и отравились им. Нам стало плохо, поэтому мы сразу связываем этот вкус с плохим состоянием и в будущем постараемся по возможности этого избегать. То же самое можно развить у мышей, причем такая память тоже вырабатывается без участия гиппокампа, хотя какие-то его клетки все равно могут входить в эту общую сеть. Дело только в количестве этих клеток и в наполнении этой сети.
Справка. Генри Густав Молисон — самый знаменитый неврологический пациент в истории науки. В 1953 г., для того чтобы облегчить тяжелейшее течение эпилепсии, Молисону была сделана экспериментальная операция по удалению гиппокампа из обоих полушарий мозга. В результате у пациента пропала возможность запоминать что-либо, то есть навсегда исчезла долговременная память.
— Получается, память повсюду? Она как бы вплетена в структуру мозга?
— Да. Память распределена по мозгу, она представляет собой нейронную сеть. Это самое важное, что нам нужно понимать. Эти нейронные сети действительно распределенные. Чтобы увидеть всю память, нам нужно иметь возможность наблюдать мозг целиком.
— А это возможно — увидеть, как вы говорите, всю память?
— На данный момент мы не можем созерцать все многообразие сетей нейронов, кодирующих все возможные воспоминания, но можем следить за некоторыми из них.
— Еще одна интересная тема, связанная с памятью, — это запах. Механизм его воздействия можно сравнить с машиной времени: запах возвращает нас в самые давние воспоминания, о которых мы даже не подозревали, что храним их. Ведь не зря же запахи используют в криминалистике. Известный следователь Н.Н. Китаев, например, специально изучал эту тему и задействовал разные запахи во время допросов.
—Для каких-то конкретных воспоминаний нам всегда важен контекст. Это как раз то, что используют криминалисты или психологи. Если нужно что-то вспомнить, то сделать это проще, когда мы погружены в контекст конкретного воспоминания. Для воссоздания контекста могут привлекаться запахи, связанные с событием, которое, например, происходило в комнате или на открытом воздухе, где ощущалось дуновение ветра или даже слышались какие-то звуки. Так, если что-то произошло в комнате, где шумит кондиционер, этот звук тоже может выступать своеобразным «якорем». Кстати, подобные методики мы используем в своих экспериментах на мышах.
Всегда есть память обо всей обстановке, о контексте, и внутри нее могут быть еще какие-то специфические воспоминания. Запах — это эволюционно древнее чувство. Активируя определенные нейроны, «вытащить» воспоминания из сети, которая их кодирует, довольно просто. Гораздо сложнее восстановить какие-то конкретные зрительные сцены.
— И в се же ни звук, ни картинка, на мой взгляд, не идут ни в какое сравнение с запахом…
— В целом да. Причем у нас это может быть не так ярко выражено, если сравнивать с животными. Мы же относимся к микросматикам — существам со слабой степенью развития обонятельной системы. Мы не так хорошо различаем запахи, как собаки или грызуны. А для других животных это вообще очень мощный стимул, и они в своей жизни на него в основном и ориентируются. И если зрительные стимулы постоянно сменяются, то запахи — более постоянные и конкретные. Получается, что за них просто легче зацепиться.
Кроме того, важный момент — наличие прямых связей у нейронов обонятельных луковиц, которые кодируют разные запахи, с клетками гиппокампа и миндалины. Запах может впечататься очень сильно: если активируются определенные нейроны, то и вся сеть конкретного воспоминания может за них зацепиться. Поскольку память — это сеть и нейроны связаны друг с другом, то когда активируются какие-то клетки, связанные с запахом, за ними по цепочке могут быть задействованы клетки, которые связаны уже с другими аспектами. И тогда мы что-то вспоминаем ярко.
— Может ли быть так, что мозг на самом деле помнит абсолютно все, просто мы не имеем доступа к каким-то воспоминаниям?
— Мы знаем, что есть процесс активного забывания: например, многое из того, что мы видим за день, ночью стирается из памяти. Нам не нужно запоминать черты лиц всех людей, которые с нами ехали в метро и на которых мы обратили внимание. или какие-то обрывки фраз. Есть очень много вещей, которые мы могли бы запоминать, но мы их не запоминаем.
— То есть кратковременная память. А долговременные воспоминания остаются навсегда?
— С одной стороны, действительно, есть теория, в соответствии с которой многое остается, но мы просто теряем к этому доступ. С другой стороны, известно, что мы все равно можем что-то забывать, а главное — что память постоянно меняется. Наше воспоминание о чем-то отнюдь не статично, причем ни в нашем проявлении, как мы это вспоминаем, ни в нейрональном субстрате. Это объясняется тем, что нейроны, входящие в эту сеть, не одни и те же: если мы сегодня что-то выучим и запомним, а затем посмотрим на слепок этих нейронов, то это будет один слепок, а когда мы то же самое вспомним завтра или через три дня, сеть будет уже чуть-чуть другая, другие клетки.
В памяти, согласно принятой сегодня концепции, постоянно происходит некоторое «дообновление». Этим, кстати, объясняется то, что мы помним что-то про детство, но обычно это не совсем то, что с нами реально происходило: воспоминания часто обрастают несуществующими деталями.
— Рост новых клеток головного мозга у человека никогда не прекращается?
— Да, есть такое понятие, как «взрослый нейрогенез». В принципе, нейрогенез у нас активно идет при внутриутробном развитии, интенсивен он также и в детском возрасте, когда достигает своего максимума, а затем постепенно затухает, но полностью никогда не заканчивается. Во взрослом возрасте прирост новых нейронов происходит в гиппокампе, в структуре под названием «зубчатая фасция», и в местах, которые называются «околожелудочковая зона», — в желудочках мозга, по которым течет спинномозговая жидкость. Недавно в научном мире даже были дебаты на эту тему. Одна группа ученых показала, что у человека во взрослом возрасте нейрогенез сходит на ноль, другие же ученые заявили, что это не так, и указали на методические ошибки своих оппонентов. Вышла целая серия статей, посвященных этой теме. Но мы пока считаем, что у человека даже во взрослом возрасте появляются новые нейроны.
Есть второй дискуссионный вопрос: стволовые клетки, из которых появляются новые нейроны. Истощается ли со временем их пул? Одна теория гласит, что они могут постоянно самоподдерживаться и запас со временем не иссякает. В соответствии с другой версией, напротив, стволовые клетки истощаются и могут совсем закончиться. Этого мы пока не знаем. Что же касается упомянутого нейрогенеза, то да, обновление нейронов происходит, и они могут встраиваться в сети головного мозга. В гиппокампе они интегрируются в том числе в нейронные сети, кодирующие разные воспоминания.
Гиппокамп/ Схема мозга.
— Выдающийся английский натуралист Альфред Рассел Уоллес говорил об избыточности возможностей человеческого мозга: зачем нам мозг, способный создавать музыкальные шедевры или строить математические теории? А что сегодня известно об уникальности или неуникальности нашего мозга?
— В целом можно сказать, что, поскольку мы отличаемся от приматов, в нас действительно есть что- то особенное. И, несмотря на то, что на уровне ДНК сходство между нами и шимпанзе превышает 98%, у людей есть определенные гены, которых нет у приматов. И это в том числе опосредует то, что мы другие.
На самом деле мы пока до конца не знаем, что именно делает нас отличными от других животных. Мы видим, что базовые принципы очень похожи. Если взять червяка С. elegans, который может обучаться, и человека и посмотреть на синаптические процессы (те, которые происходят при обучении), то мы увидим отличия в местах контакта между нейронами. Однако базовые принципы все равно одинаковы. Если смотреть дальше — на животных, которые эволюционно к нам ближе, — эти принципы и механизмы будут все более схожи. Но есть определенные области, которые устроены по-другому. Судя по всему, существует еще какая-то принципиальная надстройка, дающая нам такую развитую психику и такие когнитивные функции. Но пока мы не можем это объяснить.
В биологии идею о том, что эволюция закончилась у нас в голове, называют парадоксом Уоллеса. Альфред Рассел Уоллес — выдающийся английский натуралист, современник Дарвина, наряду с ним считающийся первооткрывателем эволюции путем естественного отбора. Источник: Frans de Waal PhD, 2016. Фото: London Stereoscopic and Photographic Company (active 1855-1922), first published in Borderland Magazine, April 1896.
— Если сравнить мозг человека и мозг шимпанзе, то какие принципиальные отличия можно обнаружить?
— Важным отличием будет, например, то, что у нас есть области, связанные с языком. У шимпанзе таких областей нет — и нет способностей к такому же развитому языку, как у нас. В целом, не вдаваясь в подробности, скажу, что в их мозге все распределено несколько по-другому.
Что касается людей, то наш мозг в отличие от мозга шимпанзе устроен более плотно, в нем больше нейронов на единицу площади. Все эти вещи, о которых мы говорим, — чисто количественные, на фундаментальные вопросы ответа они не дают.
Долгое время считалось, что важен размер мозга. Затем стали говорить, что имеет значение соотношение размеров мозга и тела. Но есть примеры, которые показывают, что мы и здесь не на первом месте. Видимо, в устройстве сетей нейронов имеют значение некие более сложные феномены, и их мы пока объяснить не можем.
— А увидеть их, используя оборудование для сканирования мозга, возможно?
— Если мы посмотрим на мозг в магнитно-резонансном томографе (МРТ), то увидим активацию определенных структур. МРТ может лишь показать какие-то явления, но не объяснить их. Нельзя объяснить сложные психические функции тем, что мы видим, что какие-то структуры активируются, а какие-то нет. Это всего лишь некоторая корреляция, но, чтобы докопаться до сути вещей, нам нужны новые идеи о том, как устроены эти нейронные сети.
— Поговорим о вашей работе. В лаборатории нейронаук Курчатовского комплекса НБИКС- природоподобных технологий, которой вы руководите, проводятся беспрецедентные эксперименты по изучению того, можно ли стереть память. Расскажите об этом подробнее.
— Да, работая с лабораторными мышами, мы исследуем возможность избавиться от определенных воспоминаний. Это интересует нас, в частности, в контексте травматической памяти, которая формируется при сильных стрессовых воздействиях. Есть такое заболевание — посттравматическое стрессовое расстройство (ПТСР). Оно развивается у людей, которые попали в какие-то тяжелые ситуации: теракты, военные действия, авиакатастрофы и т.д. Мы можем моделировать это состояние на животных и далее пытаться стереть у них эту травматическую память, потому что от травмирующих воспоминаний для организма нет никакой пользы.
— Такая методика могла бы стать отличным дополнением к психотерапии. А вам уже удавалось уничтожить определенные воспоминания у животных?
— Сейчас мы можем это делать на мышах. Если мы предложим животному вспомнить травмирующую ситуацию и в определенный момент введем вещества, нарушающие синаптическую пластичность, то получим желаемый эффект. Но людям такая процедура, конечно, пока еще недоступна, потому что используемые вещества имеют ряд побочных токсических эффектов. Предстоит еще много работы, прежде чем подобное лечение от травмирующих воспоминаний можно будет внедрять в клиническую практику.
Стирать определенные воспоминания у мышей нам удается с помощью процедуры реактивации памяти: когда мы что-то вспоминаем, память приходит в лабильное состояние и в этот момент ее можно заблокировать. В том числе в этот момент можно заблокировать и стереть травматическую память.
Стирание памяти как таковое — известный факт. Нам же было важно показать, что мы можем прицельно уничтожить именно травматическую память.
Еще один способ удалить травматическую память — непосредственно в момент вспоминания попробовать затормозить работу той сети нейронов, которая участвовала в воспоминании. Это можно сделать с помощью методов оптогенетики. Мы берем сеть, которая участвует в воспоминании, и маркируем ее специальными белками, представляющими собой светочувствительные каналы. Если на эти нейроны попадет свет определенной волны, например синий или красный, в зависимости от каналов, то эти каналы откроются и нейроны затормозятся.
— Вы изучаете страх у мышей. Расскажите об этих исследованиях.
— Эта тема — одна из важнейших в нашей научной программе. Мы исследуем, как формируется аверсивная память у мышей — когда они запоминают то, что вызывает у них страх. Для этого мы используем классическую модель обучения, так называемое условно-рефлекторное замирание. Это значит, что мы помещаем животных в какую-то новую для них камеру, они ее обследуют и у них формируется память о контексте, об обстановке: что это за камера, как там пахнет, какие там звуки и т.д. Затем мы можем подавать какие- то дискретные сенсорные стимулы, обычно звуковые. В определенный момент времени подается электрический ток, животные пугаются и начинают считать эту камеру и эти сенсорные стимулы опасными. Дальше можно разными способами заглядывать в мозг животного и смотреть, что там происходит.
Одна из интереснейших вещей — наши попытки понять, как именно мы запоминаем контексты. Перед нами стоял вопрос: запоминаем ли мы все целым комплексом сразу или есть нейроны отдельных элементов этого комплекса, которые затем соединяются? Для того чтобы это узнать, мы обучали животных бояться определенного сочетания сигналов: например, свет и звук вместе. Это сочетание мы связывали с электрическим током и дальше искали нейроны отдельных компонентов или всего комплекса сразу. Оказалось, что есть и те и другие.
Получается, что мозг запоминает травмирующий контекст двумя способами сразу, что позволяет нам, с одной стороны, запоминать всю обстановку целиком, ас другой — запоминать отдельные элементы, и с этим связаны совсем другие нейроны. Это некая двойная система кодирования травмирующих ситуаций: отдельные клетки кодируют всю ситуацию целиком, и отдельные клетки кодируют единичные элементы этой ситуации.
Исследования по стиранию травматической памяти, проводящиеся в лаборатории нейронаук Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий, в будущем смогут дополнить психотерапию и психиатрию новыми методами лечения ПТСР. Фото: А.С. Луфт, «В мире науки».
— Классическая реакция на угрозу известна как «бей или беги». Как наш мозг решает, каким образом лучше поступить: бить, бежать или, может, замереть?
— Организм всегда руководствуется тем, что адаптивно в данный момент. Возьмем для примера условных мышей в камере, которые получают разряды тока. Из трех вариантов самым адаптивным будет затаиться, потому что атаковать, по сути, некого (ток приходит откуда-то снизу, без конкретной локализации) и бежать тоже некуда. Мыши уже поняли, что это замкнутая камера, поэтому они выбирают затаиваться. Точно так же как и животные в естественной среде решают, сбежать от хищника или попытаться затаиться и спрятаться. С одной стороны, выбор определяется тем, что будет более адаптивно, с другой — у людей, да и у животных тоже, есть индивидуальные стереотипные паттерны поведения, которые вырабатываются в течение жизни. Например, кого-то учили всегда давать сдачи, а другому говорили: «Лучше отойди и не ввязывайся в конфликты». Это просто наглядные примеры. И это определяет характерный паттерн. Соответственно, паттерн накладывается на то, что в данный момент представляется более адаптивным. Так что те или иные стратегии поведения проявляются в разных ситуациях.
— Все ваши исследования очень интересны. А вы можете выделить какое-то одно наиболее перспективное направление?
— Наиболее интересно для меня и моих коллег — понять принципы, клеточные механизмы обучения памяти. Как я уже говорила, память — это не что-то статичное, мы рассматриваем ее в динамике. Нам важно понять, что происходит с памятным следом со временем. Например, при старении. Да, мы знаем, что память с возрастом ухудшается, но как это проявляется на конкретных нейронах? Чем травматическая память отличается от обычной? Ведь, в принципе, пугаться чего-то — вполне нормальное адаптивное явление, и мы таким образом понимаем, какой конкретно угрозы следует избегать в будущем.
— В чем же тогда принципиальное отличие травматической памяти?
— В том, что травматическая память уже не адаптивная, она не специфическая. Мы не боимся чего-то конкретного, а растим в себе генерализованный страх — когда какие-то не связанные с изначальной стрессовой ситуацией вещи начинают вызывать весь комплекс болезненных воспоминаний. Характерный пример: громкий звук стартующего автомобиля способен напугать бывших военных, которые слышали выстрелы на поле боя. Страх могут вызывать другие громкие звуки или даже какие-то тени. У каждого свой страх. Но чем именно сильная травматическая память и адаптивная аверсивная память отличаются на уровне нейронов, мы пока до конца не знаем.
Нам удалось показать, что изменения в мозге, вызванные стрессом, могут иметь пролонгированный характер. Например, произошла травматическая ситуация, она закончилась, дальше мыши сидят в своих домашних клетках и, казалось бы, с ними уже ничего плохого не происходит; но если через неделю после травмирующей ситуации взять эту мышь из домашней клетки (а для мыши неделя— это уже довольно много) и посмотреть на ее мозг, оказывается, что мозг находится в состоянии повышенной активности.
— То есть она всю неделю пребывала в таком состоянии?
— Да. Всю неделю мыши сидели как будто спокойные в своих домиках, в своих родных клетках, но это только с виду. Если мы возьмем мышь без травмы в анамнезе до этого, просто обычную мышь, и посмотрим на ее мозг, он будет находиться в спокойном состоянии. Да, там будут какие-то отдельные активные нейроны, отдельные структуры, но в целом, если мы посмотрим на белковые слепки активности мозга, они будут, как мы говорим, пустыми: там не будет большого количества активированных клеток, которые находятся в состоянии пластичности. А если мы возьмем мышь, у которой семь дней назад была травма, то увидим, что во многих структурах мозга очень много нейронов, которые находятся в состоянии повышенной пластичности. И если мы посмотрим на связанность структур друг с другом, окажется, что и она изменилась. Это значит, что в течение долгого времени после травмы мозг находится не в нормальном состоянии, не в покое. Кстати, похожие вещи видно в исследованиях и у людей с травмами, если смотреть на активность их мозга под МРТ. Получается, мозг находится в повышенном, активированном состоянии по сравнению с обычным. Дальше мы уже смотрим на более детальные механизмы, на то, как структуры и клетки синхронизируются друг с другом после травмы. Мы пытаемся понять, действительно ли наши процедуры по стиранию памяти приводят к тому, что мозг возвращается в нормальное состояние.
— А такая повышенная активность мозга — разве плохо?
— Да, получается, что не очень хорошо, потому что дальше у животных развиваются симптомы травмы. Например, если мы говорим про мышей, то они начинают бояться ситуаций, в которых с ними никогда ничего плохого не происходило. То есть мы сажали их в одну камеру, где они сталкивались с травмирующей ситуацией, а затем перемещали в совершенно другие условия, в другую камеру, и видели, что они и ее стали бояться. Это не адаптивная память, потому что она распространяется на разные эпизоды, не связанные с изначальной травмой.
— И сколько может длиться такая тревожность у мышей?
— Мы знаем, что такое состояние может продолжаться несколько месяцев. А может ли это сохраняться на всю жизнь (мыши живут два-три года), мы пока не проверяли. Но планируем.
— Правда ли, что события, которые были подкреплены сильными эмоциями, лучше запоминаются? С чем это связано?
— Да, в целом это так. Особенно если речь идет о негативных эмоциях: они запоминаются еще лучше. Это связано с тем, что эмоции — всегда отражение того, что нечто, происходящее в окружающей среде, для нас важно. Если в какой-то момент мы сидим безучастные, то нам, скорее всего, неважно, что происходит. Если же мы испытываем по определенному поводу некоторые ощущения, это значит, что мы вовлекаемся в такие ситуации, процессы и, конечно, запоминаем их лучше, потому что в будущем нам это может зачем-то понадобиться. Раз мы в них вовлекались, если нас что-то испугало, возможно, это стоит запомнить, потому что мы можем снова с этим столкнуться. И нам важно иметь об этом представление.
Радостные события тоже запоминаются хорошо. Если мы где-то испытали удовлетворение или счастье, в будущем можем попробовать испытать подобное ощущение еще раз, попав в аналогичную ситуацию.
— Что, на ваш взгляд, мешает построить единую теорию мозга?
— Во-первых, нам нужно еще больше эмпирических данных о мозге. Все говорят, что сейчас выходит очень много статей по нейробиологии. С одной стороны, это так, а с другой — думаю, мы еще не достигли критической массы. Это впереди. Вторая принципиальная вещь, которая нам необходима, — метаанализ всех этих данных. Вот здесь мы, ученые, на мой взгляд, отстаем. И третье: нужны люди, которые будут не ставить эксперименты, а больше анализировать эту проблему.
Кроме того, важнейший момент — возможность сотрудничества специалистов из разных областей знания, иногда, казалось бы, довольно далеких от нейронауки.
Такая конвергенция разных наук как раз реализуется в Курчатовском комплексе НБИКС-природоподобных технологий, как было задумано при его создании М.В. Ковальчуком. Это дает уникальную возможность тесно сотрудничать со специалистами разных подразделений нашего комплекса, которые занимаются совершенно другими проблемами, что позволяет продвинуться и в наших исследованиях тоже. Благодаря такому взаимодополняющему сотрудничеству в нашем институте мы можем использовать в работе самые разнообразные методы и технологии: генетически кодируемые сенсоры, вирусные конструкты, оптические технологии для визуализации активности мозга, машинное обучение и искусственные нейронные сети для анализа получаемых данных, а также методы молекулярной биологии и генетических технологий. Я уверена, что нейронаука без подобной возможности проводить исследования вместе с учеными разных областей не двигалась бы вперед настолько активно.
Название видео
Вопросы для самоконтроля
Как мы выяснили выше, один из факторов закрепления в памяти информации — её повторение. На скорость и эффективность извлечения информации из бессознательной части влияет также и факт самостоятельного воспроизведения информации без обращения к её первоисточнику. Ответь на нижеперечисленные вопросы (можно устно, но лучше письменно — так задействуется мелкая моторика рук и запоминание будет эффективнее) для закрепления всей темы:
Ответь на вопросы — порадуй слона!
- Что такое нейроны и как они общаются между собой?
- Как называются осноные каналы восприятия информации?
- Как влияют гормоны на процесс запоминания?
- Что такое бессознательные действия?
- Что такое условные и безусловные рефлексы? Инстинкты?
- Что такое долговременная и кратковременная память?
- Какие факторы влияют на перенос информации из кратковременной в долговременную память?
Данный раздел находится в разработке! Ты можешь помочь процессу пройдя небольшой опрос:
Как тебе статья? Можно выбрать несколько вариантов ответа или добавить свой.
Что такое память?
Память — это способность человека запоминать, накапливать и извлекать полученную информацию. На количество и качество запоминаемого оказывает влияние внимание человека. Также при запоминании очень важное значение имеют чувства. Память включает в себя следующие процессы:
- запоминание — это процесс запечатления в памяти новых фактов;
- хранение — накопление, переработка и хранение полученной информации;
- воспроизведение — процесс извлечения полученного материала.
Запоминание и воспроизведение бывает произвольным и непроизвольным. Произвольное запоминание и воспроизведение сопровождается усилием человека, а непроизвольное — осуществляется без усилия.
