Парадоксы памяти. Как мозг создаёт прошлое, почему воспоминания меняются и что происходит, когда память подводит

Нейроны, синапсы и пластичность: что меняется при обучении

Где находится вчерашний день? Сам вопрос подталкивает к поиску места: участка мозга, группы клеток, внутренней полки, на которой хранится пережитое. Но воспоминание о вчерашнем кофе не лежит целиком ни в одной точке. Цвет утреннего света, запах напитка, тепло чашки, шум кофемашины, торопливое движение руки и мысль о предстоящей встрече обрабатывались разными системами. Когда мы возвращаемся к этой сцене, мозг восстанавливает отношения между её составляющими.

Человеческий мозг содержит около восьмидесяти шести миллиардов нейронов. Это приблизительная оценка, а не результат подсчёта каждой клетки, но она позволяет представить масштаб. Каждый нейрон получает сигналы от множества других клеток, преобразует их и передаёт дальше. Дендриты принимают значительную часть входящей информации, по аксону сигнал направляется к другим клеткам, а между ними располагаются синапсы — специализированные места передачи.

Во многих синапсах передача происходит с помощью нейромедиаторов. Электрический импульс достигает окончания аксона, вызывает выброс вещества в узкую синаптическую щель, а молекулы нейромедиатора связываются с рецепторами следующей клетки. Есть и электрические синапсы, где ток проходит между клетками непосредственно. Мозг пользуется обоими способами, хотя химические контакты встречаются чаще и обладают особенно богатыми возможностями для регуляции.

Сам по себе сигнал живёт недолго. Это не значит, что воспоминание исчезает вместе с молекулами нейромедиатора. Опыт может изменить вероятность того, как клетки будут отвечать в будущем. В синапсе меняется число и чувствительность рецепторов, количество выделяемого медиатора, форма дендритных шипиков и работа внутриклеточных систем. При более длительном обучении включается синтез белков, перестраиваются связи между клетками, меняется возбудимость нейронов и согласованность целых сетей.

Эту способность нервной системы изменяться под влиянием опыта называют пластичностью. В популярном изложении её часто сводят к правилу: если два нейрона активируются вместе, связь между ними укрепляется. Это полезная отправная точка, восходящая к идеям Дональда Хебба, но реальная картина сложнее. Одни связи усиливаются, другие ослабевают; результат зависит от последовательности и частоты сигналов, состояния клетки, нейромодуляторов и предшествующего опыта. Иногда сеть учится не активировать ответ, а подавлять его.

Два хорошо изученных процесса получили названия долговременной потенциации и долговременной депрессии. В первом случае определённый режим совместной активности надолго повышает эффективность синаптической передачи, во втором — снижает её. Эти явления особенно подробно исследованы в гиппокампе, но встречаются и в других областях. Они считаются важными клеточными механизмами обучения, хотя ни один из них нельзя отождествить с готовым человеческим воспоминанием (Bliss и Collingridge, 1993).

Метафора тропинки в траве передаёт часть смысла пластичности. По маршруту, которым пользуются часто, легче пройти снова. Но синапс не становится протоптанной дорожкой в буквальном смысле, а повторение не всегда укрепляет именно то, что нам хотелось бы запомнить. Можно многократно воспроизводить ошибку, путать два факта или возвращаться к неточной версии события. Пластичность не различает автоматически истину и заблуждение. Она поддерживает изменения, возникающие в определённых условиях.

Обучение не ограничивается синапсами. Меняются способы взаимодействия между областями, временная согласованность их активности, стратегия решения задачи и распределение внимания. При длительной практике могут происходить изменения белого вещества и миелинизации нервных волокон. В некоторых отделах мозга животных, включая зубчатую извилину гиппокампа, на протяжении жизни появляются новые нейроны. Насколько выражен взрослый нейрогенез в человеческом гиппокампе и какое значение он имеет для памяти, остаётся предметом споров. Было бы ошибкой объяснять обычное запоминание тем, что при каждом уроке у человека вырастают новые клетки.

Не существует и простого обратного процесса, при котором неиспользуемый синапс постепенно истончается, а воспоминание исчезает. Забывание может быть связано с ослаблением отдельных связей, конкуренцией между сходными следами, изменением контекста и потерей подходящих подсказок. Иногда информация продолжает влиять на поведение, хотя человек не может извлечь её сознательно. Иногда доступ возвращается при знакомом запахе, месте или вопросе. Поэтому отсутствие воспоминания не доказывает физического уничтожения всех связанных с ним изменений.

Эмоции также не действуют как универсальный усилитель записи. Возбуждение и значимость способны менять внимание и консолидацию, а в этих процессах участвуют норадреналин, адреналин, дофамин, гормоны стресса и несколько взаимодействующих мозговых систем. Умеренное возбуждение иногда помогает сохранить центральные детали. Сильный стресс может, напротив, нарушить связывание контекста или сузить внимание. Фраза «эмоциональное запоминается лучше» верна лишь при множестве оговорок.

Когда вы читаете эти строки, нервная система действительно работает и меняется. Но из этого не следует, что каждое предложение уже оставило устойчивый след. Часть информации поддерживается несколько секунд, часть связывается с прежними знаниями, часть исчезает. Чтобы текст сохранился, обычно недостаточно провести глазами по странице. Полезно понять мысль, попытаться извлечь её без подсказки, применить или связать с другим материалом.

Пластичность делает обучение возможным, но не превращает мозг в мышцу, которую можно равномерно «накачать». Тренировка определённого навыка прежде всего улучшает выполнение сходных задач. Решение кроссвордов может сделать человека опытнее в кроссвордах, а запоминание последовательностей — в работе с подобными последовательностями. Широкий перенос на все виды памяти встречается гораздо реже, чем обещает реклама тренировок мозга.

Вчерашний день существует не как отдельный предмет, а как последствия совместной активности множества систем. Где-то изменились синаптические связи, где-то — возбудимость клеток и взаимодействие сетей, где-то новый опыт встроился в уже существующие знания. Эти изменения материальны, но из этого ещё не следует, что учёные могут указать на несколько синапсов и прочитать в них сцену утреннего кофе. Чтобы приблизиться к такому объяснению, им понадобилось понятие энграммы.

Энграмма — физический след памяти

Термин «энграмма» предложил в начале XX века немецкий биолог Рихард Земон. Он обозначал им устойчивое изменение, которое опыт оставляет в организме. В то время учёные ещё не умели регистрировать работу отдельных нейронов, поэтому энграмма долго оставалась теоретическим понятием: след должен существовать, раз прошлое влияет на будущее, но найти его было невозможно.

Одним из самых известных исследователей, пытавшихся локализовать память, был Карл Лэшли. Он обучал крыс проходить лабиринт, а затем повреждал разные участки коры и проверял, насколько хорошо животные сохраняют навык. Лэшли надеялся обнаружить область, удаление которой уничтожит конкретное воспоминание. Результаты оказались гораздо менее аккуратными.

Нарушение поведения чаще зависело от общего объёма повреждения, чем от одной строго определённой точки. Лэшли сформулировал принципы массового действия и эквипотенциальности: в некоторых задачах разные участки коры способны частично поддерживать сходные функции, а тяжесть нарушения связана с размером поражения. Эти выводы не означали, что вся кора хранит каждое воспоминание одинаково. Лабиринт — сложная задача, в которой участвуют зрение, движение, мотивация и пространственная ориентировка. Животное могло использовать разные стратегии, поэтому потеря одного пути не всегда уничтожала результат.

Исследования Лэшли показали, насколько трудно искать память с помощью грубого удаления ткани. Если крыса перестала выполнять задачу, нельзя сразу заключить, что энграмма стёрта. Она могла хуже видеть, двигаться, ориентироваться или понимать условия опыта. Чтобы найти физический след, требовалось не только наблюдать поведение, но и выделять клетки, участвовавшие в обучении, а затем проверять их роль (Josselyn и Tonegawa, 2020).

Современное исследование энграмм опирается на несколько признаков. Определённая группа клеток активируется во время обучения. Часть этих клеток снова становится активной при последующем воспроизведении. Нарушение их работы затрудняет проявление памяти, а искусственная активация при некоторых условиях вызывает поведение, связанное с прошлым опытом. Ни один признак сам по себе не доказывает, что найдено «место воспоминания», но вместе они позволяют установить причинную роль нейронного ансамбля.

Дальнейшие эксперименты позволили не только наблюдать такие ансамбли, но и проверять их причинную роль. С помощью генетической маркировки исследователи выделяют нейроны, активные во время обучения, а оптогенетика позволяет позднее возбуждать или подавлять их светом. В опытах на животных такое вмешательство вызывало или ослабляло поведение, связанное с прежним опытом. Это убедительное свидетельство роли помеченных клеток, но не способ прочитать содержание воспоминания или включить в мозге целый субъективный «фильм». Метод, основные эксперименты и ограничения подробно разобраны в главе 16.

Энграмма не представляет собой одну клетку или компактную папку. Для одного события формируются ансамбли в нескольких областях: гиппокампе, коре, миндалине и других структурах. Они участвуют в разных аспектах опыта и меняются со временем. Клетки одного ансамбля могут входить в представления нескольких событий, особенно если события близки по времени или смыслу. Такое перекрытие помогает связывать опыт, но может способствовать смешению сходных эпизодов.

Современные методы позволяют наблюдать активность отдельных клеток и некоторые структурные изменения с помощью двухфотонной микроскопии. Исследователи видят появление и исчезновение дендритных шипиков, изменение активности нейронов при повторном обучении и перестройку ансамблей. Это впечатляющие данные, но изображение нового шипика ещё не является снимком конкретного воспоминания. Один структурный элемент участвует в работе сложной сети, а видимая перестройка может отражать несколько процессов.

Есть и феномен так называемых молчащих энграмм. В некоторых экспериментах на животных поведение не показывает доступного воспоминания, хотя искусственная активация клеток, помеченных при обучении, вызывает ожидаемую реакцию. Эти данные поддерживают идею, что невозможность вспомнить иногда связана с нарушением доступа, а не с полным исчезновением следа. Но граница между хранением и извлечением определяется самим экспериментом; переносить её на любые случаи человеческого забывания нельзя (Ryan и соавт., 2015).

Изучать энграммы у человека гораздо труднее. Генетическая маркировка и оптогенетическое управление клетками применяются главным образом в исследованиях животных. Функциональная МРТ показывает изменения кровотока, связанные с активностью больших популяций нейронов, но не позволяет прочитать конкретную энграмму. В редких случаях электроды, установленные по медицинским показаниям, дают возможность регистрировать активность отдельных клеток, однако такие наблюдения ограничены клинической необходимостью и небольшой выборкой.

Поэтому фраза «учёные нашли воспоминание в мозге» требует уточнения. Они умеют выделять нейронные популяции, активные при формировании и извлечении определённого опыта, и причинно воздействовать на некоторые из них у животных. Это сильное доказательство материальной основы памяти. Оно не превращает воспоминание в вещь, которую можно прочитать, скопировать или отредактировать как файл.

Если вас спросят, где находится вчерашний день, не стоит отвечать, что он скрыт в точках, где нейроны стали ближе друг к другу. Расстояние между клетками здесь не главное. Точнее сказать: опыт оставил распределённые изменения в активности и связях множества нейронных ансамблей. Некоторые из них участвуют в зрительных и слуховых компонентах события, другие связывают контекст, значение, действие и эмоциональную реакцию. Воспоминание возникает, когда часть этой системы снова приходит в согласованную активность.

Взаимодействие гиппокампа и коры: распределённое представление события

Возьмём обычную прогулку. Вы шли по парку, ели мороженое, слышали музыку, видели рыжего кота и разговаривали с приятелем об отпуске. Позднее всё это может вспоминаться как одна сцена. В мозге, однако, нет видеоролика, в котором каждый кадр, звук и ощущение сохранены в исходном порядке.

Зрительные признаки обрабатывались системами затылочной и височной коры, звуки — слуховыми областями, движения и прикосновения — сенсомоторными сетями. Пространственные отношения, значение разговора, цели и эмоциональная оценка подключали другие системы. Образ кота при этом не хранится в одной «зрительной ячейке», музыка — в слуховой, а радость — в миндалине. Каждая составляющая сама представлена распределённо, а области мозга непрерывно обмениваются сигналами.

Гиппокамп и соседние структуры медиальной височной доли особенно важны для связывания элементов события. Они помогают сохранить отношения: кто находился в определённом месте, что произошло раньше, какой предмет относился к какому контексту. Благодаря этому позднее можно восстановить не только отдельную деталь, но и сцену, частью которой она была.

Одна из влиятельных метафор описывает гиппокамп как индекс. В библиотечном каталоге нет полного текста книги, но есть сведения, позволяющие её найти. Подобным образом гиппокамп может связывать паттерны активности, распределённые по коре, и помогать их совместной реактивации. Метафора не буквальна: в мозге нет отдельной карточки с адресами всех деталей, а гиппокамп сам хранит информацию и участвует в преобразовании опыта.

Когда мы вспоминаем прогулку, происходит частичное восстановление нейронных паттернов, связанных с восприятием события. Зрительные системы участвуют в создании образа парка, слуховые — во внутреннем воспроизведении мелодии и голоса, пространственные сети — в ощущении маршрута. Активность не повторяет исходную запись точь-в-точь. На неё влияют нынешняя цель, подсказка и знания, приобретённые после прогулки.

Именно поэтому воспоминание переживается как целое, хотя его компоненты распределены. Целостность создаётся согласованной работой системы. Если некоторые связи недоступны, человек может помнить разговор, но не одежду собеседника; узнавать парк, но не восстанавливать маршрут; испытывать знакомое чувство, не находя события, с которым оно связано.

По такой избирательности нельзя сразу заключить о повреждении определённой области. В момент прогулки одежда могла не привлечь внимания, а содержание разговора — оказаться важным. Позднее одна деталь получила больше подсказок и чаще извлекалась. Разница между компонентами воспоминания возникает на этапах восприятия, консолидации и извлечения, а не только из-за того, что они обрабатываются разными участками.

Пространственная память позволила особенно подробно изучить гиппокамп. В нём обнаружены клетки места, активность которых связана с положением животного в определённой среде. В энторинальной коре находятся решётчатые клетки, чьи поля активности образуют повторяющуюся пространственную структуру. Вместе с клетками направления головы, границ и другими типами нейронов они поддерживают навигацию.

Фраза «каждая клетка отвечает за своё место» удобна, но буквальной карты из отдельных «клеток-адресов» в мозге нет. Поле активности меняется в зависимости от среды, цели, опыта и способа движения. Пространство кодируется популяцией клеток, а гиппокамп участвует не только в построении маршрута. Пространственные отношения дают удобную основу для организации событий: произошло здесь, до этого поворота, рядом с этим человеком.

Место часто служит сильной подсказкой. Возвращение в школьный коридор или запах хвои в знакомом парке может вызвать воспоминание, которое не удавалось извлечь дома. Это ещё не значит, что эпизод «хранился в запахе» или в конкретной точке пространства. Контекст частично восстанавливает условия, присутствовавшие при формировании следа, и тем самым облегчает доступ.

Эмоциональная составляющая тоже распределена. Миндалина участвует в оценке биологической значимости, обучении угрозе и модуляции памяти при эмоциональном возбуждении. Однако она не является отдельным хранилищем страха, грусти или радости. В переживании эмоции участвуют телесные сигналы, кора, гиппокамп, стриатум, стволовые и вегетативные системы.

При эмоциональном событии взаимодействие миндалины, гиппокампа и других областей может влиять на то, какие аспекты сохранятся. Иногда центральная угрожающая деталь запоминается ярко, а контекст — хуже. Поэтому сильное чувство не гарантирует полного и точного воспоминания. Человек способен уверенно помнить испуг и ошибаться в последовательности действий или внешности присутствовавших.

Случай Генри Молисона показал значение медиальных отделов височных долей для формирования новых декларативных воспоминаний. Но его нельзя свести к фразе «гиппокамп перестал создавать индекс». Повреждение затронуло несколько структур, а сохранные возможности Генри зависели от вида материала и условий обучения. Его история поддержала идею распределённой памяти, но не дала простой карты, где каждой функции соответствует отдельный участок.

Распределённость объясняет устойчивость системы. Повреждение одной области может оставить значительную часть события доступной. Другие компоненты могут сохраниться, а подсказка — восстановить часть связи. Одновременно распределённость создаёт условия для ошибок. При извлечении мозг должен собрать элементы, которые могли измениться, ослабнуть или оказаться частью нескольких похожих эпизодов.

Представьте две прогулки по одному парку. В обеих играла музыка, вы покупали мороженое и видели знакомого человека. Спустя год легко сохранить общий сценарий и перепутать, в какой день появился рыжий кот. Ошибка не возникает потому, что мозг произвольно выдумал деталь. Она может появиться из-за перекрытия сходных представлений и недостатка признаков, позволяющих разделить эпизоды.

Тот же принцип помогает понять ошибки источника. Фраза знакома, но неизвестно, услышали вы её от приятеля, прочитали в статье или придумали сами. Содержание и его происхождение частично опираются на разные признаки. Если контекст ослаб, знакомость остаётся, а источник приходится реконструировать. Этой теме будет посвящена отдельная глава.

Активное припоминание иногда укрепляет доступ к материалу, поскольку снова включает связанные представления и создаёт дополнительные пути извлечения. Но формула «каждый раз гиппокамп собирает целое, а связи коры становятся прочнее» чрезмерно прямолинейна. Повторное воспроизведение может укрепить верную информацию, сохранить ошибку или изменить акценты. Результат зависит от точности извлечения, обратной связи и последующего обучения.

Гиппокамп удобно сравнивать с дирижёром, библиотекарем или индексом, но ни один образ не описывает его полностью. Дирижёр знает партитуру и управляет музыкантами сверху; мозг не имеет такого центрального руководителя. Библиотекарь раскладывает готовые книги; воспоминание не существует заранее как законченный том. Индекс указывает на неизменные адреса; нейронные представления перестраиваются.

Более осторожная формулировка звучит так: гиппокамп участвует в быстром связывании отношений между компонентами опыта, а распределённые корковые сети представляют разные признаки и знания. Их взаимодействие позволяет позднее восстановить событие. Со временем характер этого взаимодействия меняется.

Консолидация: почему воспоминание меняется со временем

Сразу после события память уязвима. Человек может хорошо воспроизвести только что услышанное имя, а после нового разговора потерять его. Травма или заболевание иногда стирают события, непосредственно предшествовавшие нарушению, тогда как более отдалённое прошлое сохраняется лучше. Эти наблюдения привели к понятию консолидации — совокупности процессов, благодаря которым след становится устойчивее и встраивается в существующую систему знаний.