Заглядывая в мозг: чего мы на самом деле не знаем о работе памяти

Статья подготовлена на основе третьей лекции третьего сезона ежегодного Большого Биологического Лектория — «Молекулярная биология памяти». Для тех, кто любит читать, редакция Инпсихо Медиа подготовила текстовую версию, в которую вошли самые интересные фрагменты. Ссылку на видео с полной лекцией вы найдете в конце этой страницы.

Представьте себе анатомическую лабораторию начала XX века: хирургический стол, холодный свет ламп, блестящие металлические инструменты… Иван Петрович Павлов, знаменитый исследователь высшей нервной деятельности, мечтал заглянуть внутрь черепной коробки — и, быть может, увидеть там застывшие следы воспоминаний.

Сегодня мы знаем: память — не рисунок, а динамический процесс. Открыв черепную коробку, мы не обнаружим «зернышек» прошлого, это явление принципиально недоступно прямому визуальному наблюдению.

На эту тему рассуждали приглашенный эксперт встречи Павел Балабан и ведущая Большого Биологического Лектория Ольга Сварник.

В этой статье:

• Почему «увидеть» память невозможно

• Материальный носитель памяти — молекулы и гены

• Механизм памяти и энграммы

• Конструирование памяти и ее искажения

• Глиальные клетки

• Экзосомы

• Перспективы терапии и «волшебной таблетки»

• Роль «интенсивности» глиальной реакции в запоминании

• Реконсолидация памяти: механизмы и практическое значение

• Мышление и память: между метафорой и реальностью

• Как развивается память человека

• Гиппокамп и феномен сверхпамяти

Почему «увидеть» память невозможно

Если вы откроете радиоприемник, вы увидите там катушки, трансформаторы и микросхемы, но не музыку. Так же, заглянув в черепную коробку, вы не сможете увидеть в ней память. Память возникает в момент, когда нервная система, опираясь на предыдущий опыт, синтезирует новое состояние — и лишь косвенно оставляет материальные следы в виде измененных связей между нейронами.

Эти следы существуют: это перестройка работы нервных сетей, изменение числа и свойств синапсовСоединение между нейронами, которое позволяем им обмениваться сигналами.. Но сами по себе они не «хранят» конкретные картинки или слова — они меняют вероятность тех или иных реакций, порождая воспоминание лишь при активации соответствующей сети.

Термин «когнитивное» часто сводят ко «всему, что мы еще не понимаем». Для экспериментатора же ценны лишь воспроизводимые, проверяемые феномены. Мы создаем ситуацию, регистрируем поведение, и если оно стабильно воспроизводится — перед нами биологический феномен, на котором можно строить выводы. Память же — именно такой феномен, но ее формирование происходит не мгновенно.

Когда вы показываете человеку картинку и сразу же спрашиваете, видел ли он ее раньше, — это тест кратковременной реакции, работающей в пределах секунд. Но истинная память, которая сохранится на следующий день, формируется дольше.

Этот четырехчасовой период консолидации обнаружен у всех млекопитающих — от мыши до человека, а также у более примитивных животных, вплоть до улиток.

Материальный носитель памяти — молекулы и гены

Итак, связи между нейронами сами по себе — еще не долговременная память: ее необходимо закрепить. А сделать это можно только одним путем — изменением уровня синтеза белков в определенных клетках. Белки усиливают или ослабляют синапсы, но прежде чем это произойдет, надо изменить экспрессию генов: от ДНК до мРНК, от мРНК до нужного белка, и доставить его в нужное место.

Однако мозг защищен гомеостатическими механизмами: любое локальное изменение тут же компенсируется, чтобы сохранить стабильность работы. «Ворота» для изменений открываются лишь на время: сначала спустя полчаса после обучения, затем закрываются через четыре часа. Если за этот промежуток не успеть «запустить» синтез нужных белков, память не закрепится.

Когда вы вспоминаете лицо бабушки или название улицы, активируется очень небольшая сеть нейронов — так называемая энграммаНейронная сеть, которая хранит следы памяти и активируется при воспоминании определенной информации или опыта.. Это не миллионы клеток, а всего лишь тысячи, избирательно связанные между собой. Именно в этих селективных цепочках и происходит молекулярная «ремонтная работа»: они преодолевают гомеостатический запрет, закрепляя новые уровни синаптической эффективности.

Механизм памяти и энграммы

Наш организм обладает системой адаптации, которая закладывает в мозгу энграммы — следы памяти. Эти механизмы существуют у самых разных живых существ — от одноклеточных до млекопитающих. В момент формирования воспоминаний активируется соответствующая энграмма, а затем она модифицируется под влиянием новых ассоциаций: имя человека, обстоятельства вашей встречи, его увлечения и т. д.

Однако количество одновременно «открытых» для изменения энграмм невелико. Память функционирует не как отдельный каталог образов, а как взаимодействующая система ассоциаций, каждая из которых связывает:

• конкретный стимул (звук, образ, слово);

• обстановку, в которой он был воспринят;

• эмоциональный отклик.

Если лицо знакомого человека увидеть в непривычной обстановке (скажем, под водой), распознавание почти невозможно: связь между обстановкой и образом разорвана. Забывание — это не угасание самих сенсорных следов, а ослабление их связи с контекстом.

Существует концепция семантической памяти — знаний, которые мы усваиваем, но не всегда можем точно вспомнить, как они были получены. Примером служит простое знание, что Париж — столица Франции. Мы все это знаем, но мало кто помнит, как и когда узнал этот факт. Знание остается в нашем сознании, но связь с конкретным моментом обучения исчезает.

Конструирование памяти и ее искажения

Память всегда конструируется заново при воспоминании. Даже знаменитые опыты Пенфилда (стимуляция коры вызывала «воспоминания» у пациентов) позже показали, что пациенты воспроизводили не аутентичные эпизоды, а элементы других переживаний, объединенные в цельный «фрагмент».

Британский психолог Фредерик Бартлетт в 1930-х годах показал, что воспоминание — это творческий акт, а не простое «считывание» прошлых записей. За последние 125 лет наше понимание памяти расширилось от идеи «консолидации» отдельных следов до сложной сети ассоциаций, где ключевую роль играют:

• эмоциональная окраска;

• контекст запоминания;

• личные смыслы и интерпретации.

Память — это динамическая система: она не просто хранит информацию, но и постоянно реконструирует ее заново, опираясь на контекст и эмоциональные связи.

Глиальные клетки

Когда мы говорим о мозге, привычно представлять себе нейроны – живые «провода», по которым бегут сигналы. Но на самом деле наибольшую численность составляют глиальные клеткиКлетки нервной системы, которые обеспечивают поддержку, защиту и питание нейронов, а также участвуют в регуляции нервной активности и ионного баланса в мозге.. Их в восемь раз больше, чем нейронов, и они образуют тонкую «сеть» вокруг каждого аксона и каждого синапса. Астроциты глии буквально обнимают нейроны и регулируют их обмен питательными веществами, ионами и нейромедиаторами.

Важнейшая их функция в контексте памяти ­— участие в консолидации: глия работает в более медленном «часовом» диапазоне, обеспечивая длительные изменения и укрепление новых связей между нейронами. Если нейрон передал сигнал о событии на миллисекунды, то именно глиальная клетка запускает процессы, которые сохраняют этот след на часы, дни и годы.

Без нейронов глия не смогла бы скоординировать свои реакции вовремя; без глиальных «дирижеров» нейронные сигналы остались бы эфемерными и не закрепились бы в виде долговременного воспоминания.

Экзосомы

Классические представления о межклеточном общении ограничивались нейромедиаторами и ионами. Но за последние годы выяснилось, что глиальные клетки обмениваются с соседями экзосомами – наночастицами, в которых упакованны микро-РНК и другие регуляторные молекулы.

При интенсивном обучении или стрессе выделение экзосом возрастает в сотни раз. Эти «пакеты» попадают в нейроны, изменяют экспрессию генов и тем самым закрепляют новые синаптические связи. Иными словами, нейроны дают сигнал, а глия через экзосомы диктует генетическую программу консолидации.

Экзосомы выполняют функцию «эпигенетической отмычки»: они открывают доступ к тем участкам ДНК, которые до этого были плотно свернуты. Именно это распаковка позволяет клетке надолго закрепить результат обучения. Если убрать микро-РНК из экзосом, воспоминания просто не консолидируются, что прямо доказано в экспериментах с блокировкой этих молекул.

Это говорит о принципиальном ограничении: в норме наша память «заполнена» до максимума, и улучшить ее практически невозможно. Зато можно «разморозить» не закрепленные энграммы — вернуть забытые воспоминания, дав клеткам глиальной системы сигнал к консолидации.

Перспективы терапии и «волшебной таблетки»

Сегодня мы понимаем молекулярную схему: нейроны быстро передают сигнал о событии, а глиальные клетки в течение примерно четырех часов через экзосомы перепрограммируют генетический аппарат тех самых «энграмм-клеток». Теоретически, если научиться доставлять эпигенетический регулятор адресно — только нужным нейронам — мы сможем восстанавливать память при амнезиях или ослаблении когнитивных функций.

Практическая же реализация этого пути потребует еще как минимум десятилетия фундаментальных исследований: сегодня мы не в состоянии избирательно воздействовать лишь на сотни или тысячи конкретных клеток в мозге. Для обычной же забывчивости остаются эффективными классические методы: повторение, эмоциональная окраска и контекстуальные ассоциации, которые активируют нейроглиальную систему консолидации «по умолчанию».

В очаге эпилепсии, Альцгеймера или других нейропатологий астроциты переходят в реактивное состояние: их отростки сокращаются, изменяется морфология. Недавно выяснили, что эти реактивные астроциты можно направить по пути дедифференциации — вернуть их к «перекрестку» нейрон–глия и запустить программу превращения обратно в нейроны.

• В гиппокампе при эпилепсии гибнут тормозные нейроны, и сети начинают «перегружаться».
• Инъекция специальных транскрипционных факторов (известных с 2014 г. по Нобелевским работам) в очаг поражения переводит реактивные астроциты в состояние, когда они растят новые отростки и формируют функциональные тормозные связи.

Терапевтическая перспектива — не в увеличении числа глиальных клеток, а в адресном перепрограммировании их «судьбы» на уровне конкретного патологического очага. Это идеал будущей медицины мозга: использовать собственные ресурсы органа, заставляя клетки возвращаться к нужной специализации и восстанавливать утраченные функции.

Роль «интенсивности» глиальной реакции в запоминании

Когда обучение действительно мощное, одновременно реагируют многие глиальные клетки — и память надежно консолидируется. Если же стимула мало, откликается лишь 20 % глии, и шанс на формирование долговременной памяти не превышает 20 %. Получается, что глиальные клетки выступают не просто «фоном», а контролируют, сработает ли «разрешение» нейронам изменить экспрессию генов и закрепить новую энграмму.

Предложение «нарастить» число глиальных клеток для улучшения памяти сталкивается с жестким анатомическим ограничением: пространство между нейронами уже полностью заполнено их отростками. Физически увеличить плотность глии невозможно — вся «свободная» территория мозга уже занята.

Реконсолидация памяти: механизмы и практическое значение

Исследования феномена реконсолидации памяти начали активно вестись в начале 2000-х годов. Оказавшийся в центре внимания нейробиологии, этот процесс заключается в том, что воспоминания, активируемые в сознании, подвергаются перезаписи. Этот факт был экспериментально подтвержден на различных моделях, включая моллюсков, других животных и человека.

Экспериментальная проверка реконсолидации осуществляется следующим образом: воспоминание активируется с помощью условных стимулов — например, звуков, света или образов. В момент активации воспоминания одновременно блокируется синтез белка, что предотвращает формирование новых воспоминаний. Если синтез белка блокируется без активации памяти, никаких изменений в поведении не наблюдается. Однако, когда одновременно стимулируется воспоминание, а синтез белка блокируется, результат отличается. В этом случае старая память остается неизменной, так как невозможность формирования новых белков блокирует «сохранение» новых данных, подобно процессу работы с файлом на компьютере, где старый файл заменяется новым при сохранении. Если блокировка синтеза белка препятствует образованию новой памяти, процесс реконсолидации не завершен, и старые воспоминания остаются без изменений.

Реконсолидация памяти имеет практическое значение в области психотерапии, в частности, в контексте психоанализа. В психотерапевтической практике используется подход, при котором пациента с травматическими воспоминаниями помещают в безопасную и комфортную среду и затем побуждают его переживать эти воспоминания в новых условиях. Таким образом  происходит нарушение ассоциативных связей между травматической ситуацией и самими образами. Хотя образы сохраняются, их связь с травмой ослабляется или заменяется более комфортными переживаниями. Этот процесс аналогичен феномену реконсолидации, когда старая память претерпевает изменения в контексте новых эмоциональных условий.

Кроме того, известно, что в ходе таких психотерапевтических сеансов может развиться эмоциональная связь между пациентом и психоаналитиком, что также может способствовать процессу излечения. В частности, возникает феномен контрпереноса, когда клиент испытывает сильную эмоциональную реакцию на терапевта, что может быть использовано для работы с травмами и укрепления новых ассоциативных связей.

Мышление и память: между метафорой и реальностью

Мышление и память часто оказываются связанными друг с другом в нашем представлении, однако на практике эти понятия далеко не идентичны. Используя одни и те же метафоры для описания памяти, сознания и интеллекта, исследователи рискуют изучать не реальные феномены, а только созданные ими образы и ассоциации. До сих пор нет универсального определения мышления, которое можно было бы подтвердить простым экспериментом, и поэтому гораздо продуктивнее ориентироваться на конкретные научные исследования, проводимые с большими группами людей.

Одним из таких исследований стал масштабный эксперимент, проведенный в США около восьми лет назад.

Вероятно, это объясняется тем, что у старших испытуемых оказалось больше жизненного опыта, что позволяло им находить оригинальные решения задач легче и быстрее. Важным выводом эксперимента стало то, что при отсутствии патологий память и творческие способности с возрастом не ухудшаются.

Как развивается память человека

Чтобы понять, как память формируется и развивается, необходимо обратиться к онтогенезу — развитию организма от эмбриона до взрослого человека. На ранней стадии развития, стадии нейрулы, закладывается нервная пластинка, из которой впоследствии образуются нейральные прогениторные клетки — предшественники нейронов и нейроглии. Несмотря на формирование структур, связанных с нервной системой, сама память на этом этапе еще не существует — ее развитие связано с гораздо более поздними стадиями.

Любопытным феноменом, демонстрирующим специфику раннего развития памяти, является детская амнезия. У детей до четырех лет мозг формирует огромное количество нейронов и связей между ними. В этом возрасте количество нейронов примерно в полтора раза превышает их количество у взрослого человека. Однако большинство этих связей оказывается невостребованным и постепенно отмирает, что и объясняет отсутствие стойких воспоминаний у маленьких детей. Стабильные воспоминания начинают формироваться лишь после того, как происходит естественный отбор нейронных связей: остаются только те, которые регулярно используются. Таким образом, память нуждается в постоянной стимуляции и нагрузке, чтобы нейронные связи оставались активными и эффективными.

Гиппокамп и феномен сверхпамяти

Одним из ключевых участков мозга, необходимых для нормальной работы памяти, является гиппокампСтруктура в височных долях мозга. Она играет ключевую роль в формировании и консолидации долговременной памяти, а также в пространственной навигации.. Он играет важнейшую роль в создании так называемой «обстановочной» составляющей воспоминаний — привязки события к конкретному времени, месту и обстоятельствам. Без нормального функционирования гиппокампа становится невозможной консолидация декларативной памяти, включающей в себя факты, слова и события.

В контексте гиппокампа особый интерес представляет редкое явление — гипертимезия, или феномен сверхпамяти. Люди с таким состоянием способны воспроизводить невероятное количество деталей из своей жизни, помня буквально каждый день. Тем не менее, гипертимезия встречается крайне редко, и подтвержденных случаев в мире буквально несколько. Чаще всего такие люди не воспринимают эту способность как дар — наоборот, они обращаются за медицинской помощью, потому что постоянные воспоминания мешают им полноценно жить в настоящем. Предполагается, что причина этого состояния заключается в нарушении механизмов, которые в норме помогают человеку забывать лишние детали и освобождать мозг от чрезмерной информационной нагрузки.

Подводим итоги

Краткие выводы из беседы с экспертом:

• Память — это динамический процесс. Мы не храним воспоминания как изображения или записи, а формируем их через изменяющиеся нейронные связи и молекулярные изменения в мозге.
• Для долговременной памяти необходимо изменение экспрессии генов и синтез белков, которые укрепляют синаптические связи между нейронами.
• Несмотря на то что нейроны «передают» сигналы, глиальные клетки обеспечивают долговременное закрепление памяти, поддерживая нейронные сети в нужной форме.
• Реконсолидация памяти — это процесс, при котором воспоминания могут изменяться и переписываться в новых контекстах, что имеет важные терапевтические перспективы.
• Исследования молекулярных механизмов памяти открывают возможности для разработки терапевтических методов, направленных на восстановление памяти при нейропатологиях.