По волнам памяти

Александр Механик
обозреватель журнала «Эксперт»
28 ноября 2011, 00:00

Ученые, исследующие память, почти разобрались с ее молекулярными механизмами. На очереди — сознание

Рисунок: Константин Батынков

По словам нобелевского лауреата Эрика Кэндела, получившего награду в 2000 году за исследования в области нейронных связей, «для наук двадцать первого века изучение мозга и разума будет играть такую же объединяющую роль, как изучение генов и наследственности для наук века двадцатого». Один из первооткрывателей ДНК Джим Уотсон говорил, что в понимании работы мозга есть две главные проблемы — сознание и память. По его мнению, молекулярная биология способна их решить. Из этих двух глобальных функций молекулярщикам пока лучше поддается память. Развитие высоких технологий в последние десятилетия позволило ученым покопаться в клетках мозга, поизучать их поведение в чашках Петри, провести колоссальное количество экспериментов и накопить горы фактов. Это породило множество концепций относительно того, как мозг запоминает информацию. Тем не менее вопросы остаются, а за открытие механизмов памяти Нобелевской премии еще не вручали.

К памяти через физику

Память испокон веков относили к нематериальным субстанциям. Даже в начале минувшего столетия в некоторых учебниках память все еще определялась как свойство души. Хотя еще в XVII веке французский философ Рене Декарт попытался дать механизмам памяти естественно-научные объяснения, используя для этого гидравлическую модель. Декарт считал, что желудочки головного мозга, наполненные жидкостью, могут служить хранилищами воспоминаний. Их оживляют потоки духа, которыми управляет клапан между передним и задним отделами мозга: «Когда душа желает что-нибудь вспомнить... воля заставляет железу отклоняться то в одну, то в другую сторону, направляя дух в разные отделы мозга, пока он наконец не натолкнется в одном из них на следы, оставленные предметом, который мы хотим вспомнить. Такие следы существуют просто потому, что поры в мозгу, через которые дух проходил раньше при восприятии этого предмета, теперь более других склонны открываться, когда дух снова направляется к ним». Рассуждения Декарта хотя и далеки по терминам от современных, тем не менее содержат в себе зачатки многих современных представлений о механизмах памяти.

Рассуждения о памяти, отдельной от мозга, находились в плену многовековой традиции и инерции восприятия мира до самого XX века. Считалось, что изучение тела нужно отделять от изучения души и сознания. На одном берегу были философы и прочие гуманитарии, на другом — биологи и другие естественники. В России, а затем и в Советском Союзе под влиянием господствовавшего материализма подходы к изучению сознания начали меняться гораздо раньше, чем на Западе. Уже Иван Сеченов считал, что психологию нужно изучать методами естественных наук. А один из ведущих нейрофизиологов Великобритании Чарльз Шеррингтон, посетив в начале XX века лабораторию Ивана Павлова и ознакомившись с его исследованиями, заметил, что павловское учение о высшей нервной деятельности едва ли приживется в Англии, слишком уж оно материалистично.

На Западе необходимость изучать сознание естественно-научными методами стали осознавать лишь в последние несколько десятилетий. Гениальный Фрэнсис Крик сыграл в этом большую роль, хотя, как писал он в своих воспоминаниях, любые его разговоры о сознании в среде нейрофизиологов в 1980-х воспринимались как признаки приближающегося старческого слабоумия. Но Крик был настойчив. И каждая его лекция, посвященная изучению мозга, заканчивалась одним и тем же слайдом с написанными крупными буквами словами: «Сознание — сейчас», призывая нейрофизиологов не откладывая заниматься сознанием так же, как и, к примеру, биохимией мозга.

Две фазы запоминания

Впрочем, немногочисленные сторонники естественно-научного подхода на Западе все же смогли внести значительный вклад в науку о памяти и раньше. Один из пионеров этого подхода психолог Герман Эббингауз считал, что изучать психические процессы нужно с помощью точных количественных методов. В конце XIX века результаты его многочисленных упражнений с большим количеством бессмысленных трехбуквенных слогов привели его к заключению, что процесс запоминания неоднороден. Большая часть новой информации достаточно быстро теряется, что он и отразил в своей знаменитой «кривой забывания». Природа, вероятно, не случайно дала эту способность забывать: если бы вся новая информация загружалась в наш мозг, это лишало бы его возможности полноценно заниматься другими функциями и воспринимать новые образы и знания. Описанные в научной литературе случаи подтверждают это. В частности, русский психолог Александр Лурия много лет наблюдал пациента Соломона Шерешевского, который мог абсолютно точно воспроизвести сложнейшую, к тому же бессмысленную формулу спустя пятнадцать лет после того, как он ее один раз увидел. Герой новеллы Борхеса Фунес, похожий на Шерешевского, сравнивал свою память со сточной канавой. Он умирал молодым от «перегрузки». Шерешевский же реально страдал от того, что не мог поддерживать нормальные отношения с окружающими, не мог воедино сводить информацию: один человек анфас и в профиль был для него двумя разными людьми; он не мог выполнять никакой работы, поскольку постоянно прибывающая новая информация мешала ему заниматься чем-то одним. Единственное, что у него получалось, — выступать со своим даром в мюзик-холле.

После опытов Эббингауза немецкие психологи Георг Мюллер и Альфонс Пильцекер в начале XX века провели эксперименты, подтверждавшие двухфазный процесс запоминания. Если испытуемому в момент запоминания одной задачи в течение пятнадцати минут давали другую, то она как бы вытесняла информацию первой и та не сохранялась в памяти. Если вторую задачу давали через более продолжительный промежуток, то первая уже успевала проскочить из кратковременной формы в долговременную. Клиницисты подтверждали, что при судорожных припадках и травмах у пациентов пропадает память о событиях нескольких минут, предшествующих припадку: скорее всего, у них прерывается переход из кратковременной фазы памяти в долговременную.

После этих интригующих открытий в изучении памяти последовал провал на несколько десятков лет: от наблюдений нужно было переходить к опытам, а экспериментальной модели у ученых не было. Живой человеческий мозг, понятно, они изучать не могли. Однако после того как американский психолог Карл Дантон в экспериментальных исследованиях на крысах показал, что у животных консолидация долговременной памяти тоже прерывается после электрошока в течение пятнадцати минут после обучения, он предположил, что двухфазная память — это универсальный феномен, свойственный не только людям. Позже это было подтверждено опытами на других живых организмах.

Докопались до молекул

К середине XX века новые технологии научных исследований позволили ученым-естественникам вплотную приблизиться к изучению сложных нейронных связей. Американский исследователь Лоренте де Но одним из первых открыл, что импульсы могут циркулировать по замкнутым нейронным сетям без дополнительного подкрепления. Иван Бериташвили показал, что такие циркулирующие возбуждения могут быть характерны не только для цепочек нейронов, но и для одного нейрона, который своим передающим импульс отростком (аксоном) соединяется с принимающими отростками (дендритами), как змея, кусающая себя за хвост. Такое циркулирующее возбуждение стали рассматривать в качестве базового механизма кратковременной памяти. Ученый Дональд Хебб также предположил существование клеточных ансамблей, которые сохраняют реверберационную (круговую) активность после того, как исчезает сенсорное восприятие образа. По его мнению, эти ансамбли могли образовывать связи с моторными клеточными ансамблями, вызывающими двигательные реакции. Он также предположил, что в момент запоминания в кратковременной фазе происходит временное повышение проводимости в синапсах нейронов, объединившихся в ансамбль. После этого ансамбль либо распадается, либо укрепляется. Тогда происходит так называемая консолидация долговременной памяти.

Правда, сейчас, по словам директора Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН Павла Балабана, есть исследования, ставящие под сомнение реверберационную гипотезу поддержания кратковременной памяти: «Считается, что эти импульсы имеют отношение не к памяти, а просто к активности всего мозга. Кратко­временная память — это пластическое изменение нервной системы, обратимое, после чего память опять готова вернуться к восприятию новой информации. На этапе кратковременной памяти повышается эффективность связей между нейронами». Исследования показывают, что улучшение проводимости сигналов наступает, если сигнал поступает в синапс с высокой частотой, при этом в клетке происходит целый каскад биохимических реакций. Чем сильнее и дольше эти реакции, тем выше вероятность того, что будет запущен механизм долговременной памяти. «В опытах на улитках мы наблюдали, что максимальное проявление запоминания наблюдалось в течение 15–30 минут, затем шло угасание, — рассказывает Балабан. — Если акт обучения в это время не повторять или не подкреплять, скорее всего, перехода в долговременную память не произойдет. Если собаке дать любимую ею ветчину, но при этом сказать “не бери” и хлестануть ее чем-то не очень сильно, в этот раз она не возьмет, но в следующий возьмет. А если на нее воздействовать при этом электрошоком (так обучают служебных собак), то эффект от него в ее мозге растянется на десятки минут, и она запомнит это надолго». Электрошок в данном случае — это подкрепляющая или модулирующая структура, запустившая свой каскад реакций, влияющих на закрепление той сети нейронов, которая участвовала в запоминании.

Во время перехода в долговременную память в клетках происходят более сложные структурно-химические преобразования. Швед Холдер Хиден в ходе своих опытов с крысами показал, что во время обучения в их мозгу на каком-то этапе происходит резкое увеличение синтеза мРНК (матричная РНК, несущая от ДНК информацию о белке) и белков. Это означало, что долговременное хранение связано с активацией некоторых генов. Ряд ученых из Польши, Германии и Советского Союза (в том числе известный исследователь памяти, ныне член-корреспондент РАН, заведующий отделом системогенеза Института нормальной физиологии РАМН профессор Константин Анохин) почти одновременно описали свойства двух групп генов. Выяснилось, что активация генов, которые назвали «ранними», происходит уже на этапе кратковременной памяти. Функция этих ранних генов — регулирование других генов, запускающих механизмы долговременной памяти. Если длительность и сила происходящих реакций в нейронной сети недостаточно высоки, то ранние гены не будут включать поздние. Если же порог по времени и силе будет высок, то ранние гены активируют поздние гены, ответственные за синтез новых белков. Эти белки укрепляют те синапсы, которые участвовали в запоминании, усиливая их эффективность.

Но как гены узнают, что им нужно включаться в нейронах того ансамбля, который участвовал в запоминании? Около десяти лет назад исследователи Уве Фрей и Ричард Моррис предложили свою гипотезу синаптических ярлыков (пока, правда, экспериментально не доказанную). Ученые объясняли этот процесс так: в ходе обучения в фазе кратковременного запоминания в синапсах обучающихся нейронов происходят небольшие метаболические изменения, в частности изменение некоторых мембранных белков. Эти измененные белки становятся своеобразными ярлыками активных синапсов, и именно к этим ярлыкам стремятся те «белки долговременного хранения», которые были синтезированы с помощью поздних генов.

Увы, это был не единственный вопрос. Как память может храниться десятками лет, если важнейшие элементы ее механизма — белки — живут в среднем примерно двое суток? Ответ на этот вопрос был получен сравнительно недавно. Исследования американского ученого Тодда Сактора, по мнению Павла Балабана, претендуют на основополагающее открытие в области механизма долговременной памяти. Сактор утверждает, что главной молекулой, ответственной за долговременное хранение, является фермент протеинкиназа — PKMzeta. «Эта молекула увеличивает количество рецепторов в синапсе, другими словами, его эффективность, — объясняет Балабан. — А сигнал идет именно туда, где меньше всего сопротивления и где больше эффективность. При восприятии образа должен возникнуть ансамбль нейронов, где в каждом из них заработают эти молекулы. В каждом нейроне находятся как бы в спящем состоянии матричные РНК, несущие информацию для синтеза этой протеинкиназы. Они заблокированы». Блокировка будет снята в тот момент, когда сойдется ряд стимулов (не будем перечислять их химические наименования, но суть состоит в том, что эти стимулы как бы приказывают клетке надолго запомнить этот образ). «Длительность же хранения обеспечивает удивительное свойство этой молекулы, — продолжает Балабан. — Ее даже назвали атипичной. В отличие от всех других протеинкиназ PKMzeta, однажды заработав, поддерживает сама себя: на смену одной приходит другая, в этом ей помогают другие белки, используя принцип положительной обратной связи». Сейчас, по словам Павла Балабана, идет просто-таки вал работ, связанных с проверкой этого феномена.

Похоже, что с запоминанием на уровне молекул ученые более или менее разобрались. Хотя продолжающиеся исследования приносят все новые детали и факты. К примеру, было показано, что долговременное хранение укрепляется во время сна. Исследователи фиксировали активную работу тех ансамблей, которые были задействованы при обучении. Память также укрепляется воспоминаниями. Однако насчет самих воспоминаний ученым пока известно не так уж много.

Копии воспоминаний

Простые наблюдения и исследования ученых показывают, что память — это не куча статичных отпечатков, сохраняющихся в шкатулке мозга. Мы редко когда можем с фотографической точностью восстановить тот образ или ситуацию, которые когда-то отложились в нашей памяти. Любое повторное воспоминание не является идентичной копией отложенного в памяти. Происходит это потому, что наш мозг постоянно активен, он никогда не спит. И на фоне активности миллиардов клеток не всегда может сложиться нужный пазл. К примеру, часть необходимых для этого ансамбля клеток заторможена в момент воспоминания и не может быть вовлечена в ансамбль, какие-то «чужие» клетки, наоборот, слишком активны и могут в него вмешаться. Сколько бы мы ни извлекали, казалось бы, одно и то же воспоминание, оно каждый раз будет меняться. Иногда до неузнаваемости. Что происходит при воспоминании со старым образом? Остается ли он, а рядом ложится его измененная копия? Или старый «файл» стирается и на его место ложится новый? Происходит ли при этом взаимодействие ансамблей — складывание новых образов на основе старых?

А каков молекулярный механизм воспоминаний? Изучен он пока недостаточно. Некоторые эксперименты показывают, что механизм похож на тот, который работает при запоминании, но все же отличается от него.

Логично предположить, что здесь должен работать тот же ансамбль нейронов, который был задействован при запоминании, и надо достаточно сильно зацепить один из этих нейронов, чтобы он включил всю цепь. «Однако пока непонятно, как при воспоминании мозг узнает, что именно этот комплект нейронов отвечает за конкретный образ или информацию, — задается очередным вопросом Павел Балабан. — Представим, что по всему мозгу раскиданы такие гирлянды из тысяч нейронов, которые соответствуют разным образам. Во всех происходят одни и те же биохимические реакции с одними и теми же молекулами. Что же является меткой конкретного образа? Как, натолкнувшись на одну из ассоциаций, к примеру на аквариум, вы вспомните меня и нашу беседу, потому что вы боковым зрением видели в моем кабинете аквариум? Как этот аквариум заставит вспыхнуть весь ансамбль нейронов, которые были задействованы при запоминании?»

Исследователи памяти признают, что познание механизмов на клеточно-молекулярном уровне не дает удовлетворительного объяснения, во всяком случае, что касается памяти человека. И хотя эти механизмы на молекулярном уровне весьма схожи у человека, цыпленка и мыши, в память человека вмешиваются процессы, связанные с самой высокой инстанцией — сознанием. Сознание управляет памятью и опирается на нее. Но вот пощупать эту связь материального субстрата — молекулярных механизмов — с сознанием, материального выражения которого ученые не находят, пока не удается.