«В мозге нет никаких файлов» — ученый о том, как устроена наша память

Мы привыкли считать память записью: что-то случилось, мозг сохранил об этом информацию, а при желании ее можно пересмотреть. Но из чего на самом деле сделано наше «помню» и где скрывается то, что мы забыли? На эти и другие вопросы о мозге и свойствах памяти ответил Алексей Гальтяев, аспирант МФТИ, сотрудник Курчатовского института и старший преподаватель кафедры системной нейробиологии Московского института психоанализа. С экспертом беседовала Марина Баркова.

Гальтяев изучает системную психофизиологию и нейронные механизмы памяти: как мозг формирует и хранит опыт и по каким маркерам в нем можно читать когнитивные процессы. В соавторстве с кандидатом психологических наук, ведущим научным сотрудником Института психологии РАН Ольгой Евгеньевной Сварник Алексей Гальтяев выпустил обзор «Нейронное обеспечение когнитивных процессов: маркеры в мозге», где сопоставляются два маркера памяти, импульсная активность нейронов и экспрессия раннего гена c-fos.

В этом материале:

• Как нейробиологи видят память
• Что происходит в мозге, когда человек получает новые знания
• Сможет ли человек читать мысли

Память без файлов

— Что такое память для нейробиолога? Мы привыкли думать о ней как о некоей записи событий. А как ее видите вы, когда смотрите на мозг на уровне нейронов?

— Память, по сути, это результат работы множества отделов мозга и нейронных сетей, которые взаимодействуют друг с другом. При этом само ее устройство не очень интуитивно. Возьмем память компьютера: там информация хранится в виде нулей и единиц, записанных на некоторый носитель. В головном мозге нулей и единиц нет, память не фиксируется как набор конфигураций. Здесь нет отдельного хранилища файлов, нет даже самих файлов.

Память связана с изменениями в работе нейронных сетей, в том числе с изменением связей между нейронами. Она динамична: сам акт воспоминания меняет ее устройство, дополняет или перестраивает его. Вспоминая события раннего детства, мы не имеем никаких гарантий, что эти воспоминания соответствуют действительности.

Как рождается воспоминание

— В статье «Нейронное обеспечение когнитивных процессов: маркеры в мозге» описано, что память рождается как новый узор активности группы нейронов. Что происходит в мозге в первые минуты, когда человек или животное чему-то учится? И правда ли, что в этот момент память еще можно стереть?

— При обучении происходят специфические активации нейронных групп, и из них складываются определенные паттерны активности. Поначалу эти паттерны довольно изменчивы: мозг будто пробует задачу на вкус с разных сторон, нащупывая связи нового опыта с тем, что уже есть в памяти. Постепенно формируется устойчивая организация активности сетей, которая и позволяет животному или человеку научиться новому. Параллельно идут изменения на молекулярном уровне, в частности меняется экспрессия некоторых генов, так называемых маркеров обучения. Примечательно, что у уже обученных животных можно наблюдать специфическую спайковую активность нейронных групп, связанную с выполнением знакомой задачи, но при этом не видеть той выраженной экспрессии генов, которая сопровождала самое первое обучение. Воспроизведение освоенного поведения и формирование новой памяти связаны между собой, но это не одно и то же.

Со стиранием все сложнее. После обучения запускается консолидация, закрепление памяти, в ходе которого меняется работа нейронов и их связей и включаются определенные молекулярные механизмы. В первые минуты и часы обучения этот процесс особенно важен для устойчивой долговременной памяти. В эксперименте в него можно вмешаться, например веществами, которые влияют на эти самые механизмы. Если сделать это в подходящий момент, консолидация нарушится, и животное потом не продемонстрирует выученное поведение. Но важно понимать: отсутствие поведения еще не значит, что сама память полностью стерта. Поэтому я бы говорил скорее о том, что формированию или закреплению памяти можно помешать, чем о ее буквальном стирании.
 

Молчащие нейроны

— Вы пишете о «молчащих» нейронах и о новых нейронах, которые рождаются в мозге всю жизнь. Получается, под каждый новый опыт мозг достает чистые клетки? Насколько это так у взрослого человека?

— Нет, чистые клетки под каждый новый опыт мозг не достает. Он задействует нейроны, которые уже есть в его арсенале, вовлекая их в новые комбинации активности. При обучении одни группы нейронов начинают работать совместно, связи между ними усиливаются или ослабевают, а сами клетки меняют активность в зависимости от того, какая приходит информация. Так складываются новые паттерны, которые позволяют нам сохранить опыт и потом его воспроизвести.

Есть любопытная деталь: далеко не все нейроны постоянно активны. Некоторые почти не участвуют в конкретном паттерне, но при определенных условиях включаются в работу сети. Это не обязательно особые, совсем новые клетки, скорее те, что в данный момент просто не задействованы.

У некоторых животных рождение новых нейронов во взрослом мозге изучено неплохо, в частности в гиппокампе, который важен для обучения и памяти. По человеку тоже есть данные в пользу того, что новые нейроны могут появляться и во взрослом возрасте, но насколько этот процесс интенсивен и как долго сохраняется в течение жизни, ученые спорят до сих пор.

Две метки памяти

— В центре вашей работы два маркера памяти: импульсная активность нейронов и ген c-fos. Объясните, пожалуйста, на пальцах, что это за метки и почему именно по ним можно понять, где в мозге записался опыт?

— С импульсной активностью проще, это, можно сказать, основная работа нейрона: проводить возбуждение, электрические импульсы в виде потенциалов действия, передавать его другим нейронам через нейромедиаторы, суммировать приходящие сигналы и взаимодействовать с соседями. Мозг постоянно чем-то занят, нельзя, что называется, иметь абсолютно пустую голову и не думать совершенно ни о чем. В каждый момент времени в мозге обязательно реализуется какой-то паттерн активности, при этом разные группы нейронов обрабатывают разную информацию. При обучении виден специфический ответ нейронных ансамблей на стимул. Скажем, если давать мыши порцию подслащенной воды вместе с полосатыми картинками, у нее повысится активность части нейронов зрительной коры, тех, что «специализируются» на полосатых паттернах. Это можно зарегистрировать и измерить, а значит, понять, какие нейроны включаются в обработку конкретной информации и как меняется их активность по мере накопления опыта.

На молекулярном уровне главным инструментом становится ген c-fosc-fos — это ген-маркер, который включается в активных нейронах, и по нему видно, какие клетки мозга сработали., из группы так называемых ранних генов. Его экспрессия быстро усиливается в ответ на определенные виды нейронной активности. А белок c-Fos, продукт этого гена, участвует в регуляции других генов, то есть способен влиять на более долгие изменения в работе клетки.

Интересно, что экспрессия c-fos нередко растет именно при освоении новой задачи, видимо, когда возникает рассогласование между прежним опытом и тем, что происходит сейчас. Мозг сталкивается с новой информацией, которой надо найти место среди уже имеющейся, и запускаются молекулярные процессы, связанные с перестройкой сетей. Поэтому по экспрессии c-fos можно косвенно судить, какие группы клеток были в это вовлечены.

В итоге есть два взаимодополняющих инструмента. По импульсной активности мы видим, как нейроны работают прямо сейчас; по экспрессии c-fos, какие клетки дали определенный молекулярный ответ на случившееся. Вместе это помогает понять, как мозг обрабатывает новый опыт и какие популяции нейронов участвуют в формировании памяти.

— Почему именно c-fos стал любимым инструментом нейробиологов, в том числе в оптогенетике? Что он показывает такого, чего не видно по одной лишь электрической активности нейронов?

— Ген c-fos полюбился нейробиологам прежде всего потому, что дает своего рода «карту» мозга во время того или иного опыта. Можно обучить животное задаче, потом исследовать срезы его мозга и посмотреть, в каких областях и в каких клетках экспрессия этого гена повышена. Так видно, какие нейронные популяции были вовлечены в события, причем охватить удается большие области, включая глубокие структуры, до которых непросто добраться электрофизиологическими методами.

При этом электрическая активность и экспрессия c-fos говорят о разном. Электрическая активность позволяет почти в реальном времени следить за работой нейронов, ловить отдельные импульсы, разбирать временную структуру сигналов, но охватывает очень небольшое число клеток и участков. Экспрессия c-fos, наоборот, показывает реакцию множества клеток уже после события, хотя и с куда более грубым временным разрешением.

Особенно интересно это сочетается с оптогенетикой. В некоторых экспериментальных системах механизмы, связанные с c-fos и зависящие от активности, используют, чтобы пометить нейроны, работавшие во время обучения. А потом эти же клетки можно избирательно включать или гасить вспышками света. То есть мы не просто находим группу нейронов, связанную с обучением, но и проверяем, какую роль она играет в формировании или воспроизведении выученного. Кстати, в этом году Нобелевскую премию по физиологии и медицине присудили как раз за открытия, лежащие в основе оптогенетики.

Далеко ли до чтения мыслей

— Если по активности нейронов можно прочитать восприятие, воспоминание и даже мышление, насколько мы близки к чтению мыслей? Где здесь настоящая наука, а где преувеличение?

— Недавно была новость про мужчину, который из-за болезни почти потерял способность говорить. С имплантом Neuralink он смог передать жене фразу «Я… я люблю тебя»: система зарегистрировала активность мозга, связанную с намерением произнести эти слова, и перевела ее в речь. Результат, по-моему, действительно впечатляет.

Разумеется, это пока не чтение мыслей в привычном смысле, когда можно узнать все, о чем человек думает. Здесь система обучается распознавать у конкретного человека нейронные сигналы, связанные с намерением говорить, и превращать их в слова. Мы не считываем мысли напрямую, а восстанавливаем определенную информацию по активности мозга.

Сама идея при этом очень заманчива. Если мы научимся достаточно точно восстанавливать речь по активности нейронов, встает закономерный вопрос: а можно ли так же расшифровывать другие виды умственной работы? Скажем, зрительные образы, воспоминания, намерение что-то сделать?

Тут важно быть осторожным в прогнозах. О мозге мы уже знаем немало, но узнать предстоит еще больше. Нейронная активность крайне сложна, а связь между ней и субъективным опытом человека далеко не всегда очевидна. Так что движемся мы правда туда, что еще недавно казалось фантастикой, но до полноценного чтения мыслей пока очень далеко.

Из физики в нейронауку

— Вы аспирант МФТИ и Курчатовского института, то есть пришли в науку о мозге из точных наук. Что физика и ее методы дают изучению памяти и как вы сами оказались в нейронауке?

— Союз физики, математики и биологии рождает новые направления, например биофизику или вычислительную биологию. В них биологическим процессам сопоставляют определенные правила, уравнения, выросшие из физики. Биофизика стала важной частью современной биологии: она позволяет численно описывать и моделировать процессы, уводит биологию из чисто описательного русла. Активность нейронов тоже можно изучать методами физики и математического моделирования, строить модели и карты мозговой активности, анализировать взаимодействие нейронов, оценивать вероятность перехода сети из одного состояния в другое.

Искусственные нейронные сети, так популярные сейчас, как раз и возникли как подражание работе мозга. Конечно, современные нейросети устроены куда проще настоящего мозга, и точной его копией их считать нельзя. Но сама идея описывать обработку информации математическими моделями дает интересные решения и в биологии, и в информатике.

Сам я окончил бакалавриат и магистратуру на факультете МФТИ, который держится на междисциплинарности и соединяет физику, математику, биологию, информатику и когнитивные науки. Так что переход в нейронауку был для меня закономерным: мне интересно применять методы точных наук к одному из самых сложно устроенных объектов во Вселенной, к нашему мозгу.

— Что в нейронауке памяти удивляет вас больше всего и что вы посоветовали бы студенту, который хочет этим заниматься?

— Сама возможность изучать и познавать мир. Человек, единственное существо на планете и вообще единственное известное нам существо, у которого настолько богатые способности познавать мир вокруг на самых разных уровнях, от процессов в собственном мозге до рождения и гибели звезд в далеких галактиках. И все это мы пытаемся понять тем же самым мозгом, который сами же и изучаем.

Студенту, которого это манит, я посоветовал бы начать с поиска стоящего научного руководителя и знакомства с современной научной литературой. Ничего сверхъестественного, вещи очевидные, но именно они во многом задают дальнейший путь. Важно найти человека, у которого учишься не только конкретным методам, но и тому, как ставить научные вопросы, критически оценивать результаты, отличать красивую гипотезу от того, что действительно подтверждается экспериментом.

И, наверное, самое главное, не бояться междисциплинарности. Для изучения мозга нужны знания из самых разных областей: биологии, физики, математики, программирования. Необязательно знать все это заранее, но готовность осваивать новые подходы и смотреть на одну задачу с разных сторон очень пригодится.

Источники

1. Гальтяев А. В., Сварник О. Е. «Нейронное обеспечение когнитивных процессов: маркеры в мозге» // Познание и переживание. 2024. Т. 5, № 4. С. 111–134. DOI: 10.51217/cogexp_2024_05_04_08
2. «Многопараметрический подход к оценке приобретения поведенческого навыка у мышей при обучении поведенческой задаче в виртуальной реальности» // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. DOI: 10.18500/0869-6632-003235