Механизмы и принципы работы памяти головного мозга человека
Поводом написания данной статьи послужила публикация материала американских неврологов на тему измерения емкости памяти головного мозга человека, и представленная на GeekTimes днем ранее.
В подготовленном материале постараюсь объяснить механизмы, особенности, функциональность, структурные взаимодействия и особенности в работе памяти. Так же, почему нельзя проводить аналогии с компьютерами в работе мозга и вести исчисления в единицах измерения машинного языка. В статье используются материалы взятые из трудов людей, посвятившим жизнь не легкому труду в изучении цитоархитектоники и морфогенетике, подтвержденный на практике и имеющие результаты в доказательной медицине. В частности используются данные Савельева С.В. учёного, эволюциониста, палеоневролога, доктора биологических наук, профессора, заведующего лабораторией развития нервной системы Института морфологии человека РАН.
Прежде, чем преступить к рассмотрению вопроса и проблемы в целом, мы сформулируем базовые представления о мозге и сделаем ряд пояснений, позволяющих в полной мере оценить представленную точку зрения.
Первое что вы должны знать: мозг человека — самый изменчивый орган, он различается у мужчин и женщин, расовому признаку и этническим группам, изменчивость носит как количественный (масса мозга) так и качественный (организация борозд и извилин) характер, в различных вариациях эта разница оказывается более чем двукратной.
Второе: мозг самый энергозатратный орган в человеческом организме. При весе 1/50 от массы тела он потребляет 9% энергии всего организма в спокойном состоянии, например, когда вы лежите на диване и 25% энергии всего организма, когда вы активно начинаете думать, огромные затраты.
Третье: в силу большой энергозатраты мозг хитер и избирателен, любой энергозависимый процесс невыгоден организму, это значит, что без крайней биологической необходимости такой процесс поддерживаться не будет и мозг любыми способами старается экономить ресурсы организма.
Вот, пожалуй, три основных момента из далеко не полного списка особенностей мозга, которые понадобится при анализе механизмов и процессов памяти человека.
Что же такое память? Память – это функция нервных клеток. У памяти нет отдельной, пассивной эноргонезатратной локализации, что является излюбленной темой физиологов и психологов, сторонников идеи нематериальных форм памяти, что опровергается печальным опытом клинической смерти, когда мозг перестает получать необходимое кровоснабжение и примерно через 6 минут после клинической смерти начинаются необратимые процессы и безвозвратно исчезают воспоминания. Если бы у памяти был энергонезависимый источник она могла бы восстановиться, но этого не происходит, что означает динамичность памяти и постоянные энергозатраты на ее поддержание.
Важно знать, что нейроны, определяющие память человека, находятся преимущественно в неокортоксе. Неокортекс содержит порядка 11млрд. нейронов и в разы больше глии. (Глия – тип клеток нервной системы. Глия является средой для нейронов глиальные клетки служат опорным и защитным аппаратом для нейронов. Метаболизм глиальных клеток тесно связан с метаболизмом нейронов, которые они окружают.
Глии, связи нейронов:
Хорошо известно, что в памяти информация хранится разное время, существуют такие понятия как долговременная и кратковременная память. События и явления быстро забываются, если не обновляются и не повторяются, что очередное подтверждение динамичности памяти. Информация определенным образом удерживается, но в отсутствии востребованности исчезает.
Как говорилось ранее, память – энергозависимый процесс. Нет энергии – нет памяти. Следствием энергозависимости памяти является нестабильность ее содержательной части. Воспоминания о прошедших событиях фальсифицируются во времени вплоть до полной неадекватности. Счета времени у памяти нет, но его заменяет скорость забывания. Память о любом событии уменьшается обратно пропорционально времени. Через час забывается ½ от всего попавшего в память, через сутки – 2/3, через месяц – 4/5.
Рассмотрим принципы работы памяти, исходя из биологической целесообразности результатов ее работы. Физические компоненты памяти состоят из нервных путей, объединяющих одну или несколько клеток. В них входят зоны градуального и активного проведения сигналов, различные системы синапсов и тел нейронов. Представим себе событие или явление. Человек столкнулся с новой, но достаточно важной ситуацией. Через определенные сенсорные связи и органы чувств человек получил различную информацию, анализ события завершился принятием решения. При этом человек доволен результатом. В нервной системе осталось остаточное возбуждение – движение сигналов по сетям, которые использовались при решении проблемы. Это так называемые «старые цепи» существовавшие до ситуации с необходимостью запоминать информацию. Поддержания циркуляции разных информационных сигналов в рамках одной структурной цепи крайне энергозатратно. Потому сохранение в пямяти новой информации обычно затруднительно. Во время повторов или схожих ситуациях могут образоваться новые синаптические связи между клетками и тогда полученная информация запомнится на долго. Таким образом, запоминание – это сохранение остаточной активности нейронов участка мозга.
Память мозга – вынужденная компенсаторная реакция нервной системы. Любая информация переходит во временное хранение. Поддержка стабильности кратковременной памяти и восприятия сигналов от внешнего энергетически крайне затратна, к тем же клеткам приходят новые возбуждающие сигналы и, накапливаются ошибки передачи и происходит перерасход энергетических ресурсов. Однако ситуация не так плоха, как выглядит. Нервная система обладает долговременной памятью. Зачастую она так трансформирует реальность, что делает исходные объекты неузнаваемыми. Степень модификации хранимого в памяти объекта зависит от времени хранения. Память сохраняет воспоминания, но изменяет их так, как хочется обладателю. В основе долговременной памяти лежат простые и случайные процессы. Дело в том, что нейроны всю жизнь формируют и разрушают свои связи. Синапсы постоянно образуются и исчезают. Довольно приблизительные данные говорят о том, что этот процесс спонтанного образования одного нейронного синапса может происходить у млекопитающих примерно 3-4 раза в 2-5 дней. Несколько реже происходит ветвление коллатералей, содержащих сотни различных синапсов. Новая полисинаптическая коллатераль формируется за 40-45 дней. Поскольку эти процессы происходят в каждом нейроне, вполне можно оценить ежедневную емкость долговременной памяти для любого из животных. Можно ожидать, что в коре мозга человека ежедневно будет образовываться около 800 млн. новых связей между клетками и примерно столько же будет разрушено. Долговременным запоминанием является включение в новообразованную сеть участков с совершенно не использованными, новообразованными контактами между клетками. Чем больше новых синаптических контактов участвует в сети первичной (кратковременной) памяти, тем больше у этой сети шансов сохраниться надолго.
Запоминание и забывание информации. Кратковременная память образуется на основании уже имеющихся связей. Её появление обозначено оранжевыми стрелками на фрагменте б. По одним и тем же путям циркулируют сигналы, содержащие как старую (фиолетовые стрелки), так и новую (оранжевые стрелки) информацию. Это приводит к крайне затратному и кратковременному хранению новой информации на базе старых связей. Если она не важна, то энергетические затраты на её поддержание снижаются и происходит забывание. При хранении «кратковременной», но ставшей нужной информации образуются новые физические связи между клетками по фрагментам а-б-в. Это приводит к долговременному запоминанию на основании использования вновь возникших связей (жёлтые стрелки). Если информация долго остаётся невостребованной, то она вытесняется другой информацией. При этом связи могут прерываться и происходит забывание по фрагментам в-б-а или в-a (голубые стрелки).»
Из выше сказанного ясно, что мозг динамическая структура, постоянно перестраивается и имеет определенные физиологические пределы, так же мозг чрезмерно энергозатратный орган. Мозг не физиологичен, а морфогенетичен, потому его активности некорректно и неправильно измерять в системах, используемых и применимых в информационных технологиях. Из за индивидуальной изменчивости мозга не представляется возможным делать какие либо выводы обобщающие различные функциональные показатели мозга человека. Математические методы так же не применимы в расчете структурного взаимодействия в работе мозга человека, из за постоянного изменения, взаимодействия и перестраивания нервных клеток и связей между ними, что в свою очередь доводит до абсурда работу американских ученых в исследовании емкости памяти головного мозга человека.
Оперативная память мозга
ПРИ АКТУАЛИЗАЦИИ КОГНИТИВНОЙ
УСТАНОВКИ И РАБОЧАЯ ПАМЯТЬ
Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва, Россия
В результате влияния осознаваемых и неосознаваемых стимулов, действующих на человека в конкретной жизненной ситуации, в высших отделах головного мозга, а именно в префронтальной коре, на неосознаваемом уровне формируется некое внутреннее состояние, которое влияет на восприятие осознаваемых стимулов. Это свойство внутренних состояний хорошо выявляет методика, используемая при изучении когнитивных установок. Она состоит из двух частей. В первой части испытуемому многократно предъявляются определенные стимулы, в результате чего в ЦНС образуется специфическое внутреннее состояние, готовность к восприятию последующих экспозиций, т. е. установка. Во второй, тестирующей установку части опыта, при изменении стимулов у испытуемого, находящегося под влиянием сформировавшегося внутреннего состояния, наблюдается несоответствие между стимулами и реакциями.
Исследования показали, что введение дополнительной деятельности в процедуру эксперимента не увеличивает количества проб, в которых не опознаются слова. Вместе с тем, обнаружены различия в показателях функций когерентности ЭЭГ, отводимой перед исследованием и в межстимульные интервалы. Когерентные связи потенциал ов в диапазоне тета-частот в лобной области коры больше выражены у испытуемых той серии опытов, где задание было более сложным. Этот результат наблюдался только в двух стадиях эксперимента: непосредственно после инструкции и при «актуализации» установки, когда происходит рассогласование между сформировавшейся установкой на псевдослова и новыми стимулами. При этом на стадиях эксперимента, где испытуемый правильно опознает стимулы, различия в параметрах функций когерентности между сериями отсутствуют.
На стадии актуализации установки, когда сохраняется нисходящее влияние сформировавшейся ранее установки на восприятие новых стимулов, происходит усиление активации фронтальных областей коры больших полушарий. Можно предполагать, что при усложнении когнитивной деятельности, когда усиливается нагрузка на рабочую память, процесс смены установок требует большей активации структур лобной коры. Даже относительно небольшое увеличение нагрузки на рабочую память, которую мы использовали в данной работе, по-видимому, затрудняет процесс смены установок, однако с помощью дополнительной активации лобной коры это компенсируется на поведенческом уровне.
Оперативная память и ее отличия от других типов
Когда речь заходит о человеческой памяти, чаще всего люди обобщают данное понятие. Однако различают несколько видов памяти. Один из них — оперативная память.
Что такое оперативная память?
Под оперативной памятью в психологии подразумевают запоминание, которое совершается на определенный срок. Например, человек держит в голове рабочую информацию, потому что она ему необходима именно сейчас. После того как он выполнит то, что планировал, информация будет забыта.
Как используется оперативная память?
Необходимые данные из кратковременной памяти транслируются в оперативную, а после выполнения поставленной задачи вся информация улетучивается. В качестве примера можно привести следующую ситуацию: человеку необходимо приехать по определенному адресу, чтобы совершить покупку товара из рук в руки. Когда в голове откладывается нужный адрес, то сразу эта информация заносится в кратковременную память, а уже после в оперативную. В итоге, через несколько дней человек и вовсе забудет, по какому адресу он ездил. Подобное происходит и во время учебы, когда школьники или студенты готовятся к докладу.
Американские ученые доказали, что оперативная память тесно связана с интеллектуальным развитием. Объем оперативной памяти составляет не так много — всего 5 или 7 ячеек. Подобное говорит о том, что человек вполне может запомнить простой телефонный номер, только услышав его. Однако если цифр будет гораздо больше, как на мобильном, то вряд ли индивиду удастся воспроизведение информации.
Различия оперативной и кратковременной памяти
Кратковременная память очень похожа на оперативную, однако, она имеет и некоторые отличия. Кратковременная память выступает в виде цеха сортировки, когда человек получает информацию и распределяет ее. Оперативная же память является уже конечным пунктом, где информация используется, а потом забывается.
Мозг человека — орган достаточно сложный, от нормального функционирования которого зависит множество моментов. Именно поэтому ученые так до сих пор не пришли к единому мнению об оперативной памяти, является ли она отдельным компонентом или состоянием кратковременной. Если рассматривать оперативную память как состояние кратковременной, то можно заметить, что удержание нужных данных заметно отличается. Тем не менее, в этот момент можно увидеть ухудшения в работе критического мышления и возможности обдумывать информацию. Единого мнения относительно работы мозга и памяти на сегодняшний день не существует. Но большинство ученых склоняются к тому, что переключение мозга с одного режима на другой происходит в том случае, когда сроки максимально ограничены. Курс Викиум «Мнемотехники» поможет развить память и научиться запоминать большие объемы информации.
Мозг помнит всё? Беседа с нейрофизиологом Ольгой Сварник
Сегодня нам доступны самые разные научные инструменты и самые передовые технологии. Человечество накопило колоссальные знания, как в естественных науках, так и в гуманитарных. Однако человеческий мозг по-прежнему остается «Священным Граалем» ученых и самой сложной, малоизученной областью. Что мешает нам изучить мозг до конца? Как работает человеческая память и действительно ли наш мозг помнит всё? Об этом и многом другом рассказала Ольга Евгеньевна Сварник — нейрофизиолог, кандидат психологических наук, старший научный сотрудник лаборатории психофизиологии им. В.Б. Швыркова Института психологии РАН.
Все мы знаем о том, что мозг – это очень сложная структура. Десятки миллиардов нейронов, триллионы синапсов…Учитывая эту сложность, насколько мы вообще способны изучить мозг и что сегодня является главным камнем преткновения в подобных исследованиях?
Мы, безусловно, можем изучать мозг. И это достаточно длительный процесс, в силу тех особенностей, о которых вы говорите: огромное количество клеток, связей, клетки все очень разные. Исследования последних десятилетий показали, что существует огромное количество типов нейронов, и чем глубже мы погружаемся в эту область, тем больше новых типов находим. Процесс исследования мозга и клеток, которые этот мозг составляют — почти бесконечный и очень интересный.
Важный вопрос — а как мозг связан с психическими процессами? Активность наших нейронов связана с тем, что делает организм. Примечательно не только то, что в мозге есть множество разных типов нейронов, но и то, что они активируются в конкретные моменты, которые являются специфическими для этих нейронов. Есть нейроны, которые будут активны, когда я рассказываю кому-то о мозге, или когда я сама продумываю, как работает мозг, или даже когда я сплю и мне снится что-то о работе мозга. Исследуя эти нейроны, мы получаем доступ к внутреннему миру человека.
Главный камень преткновения в изучении мозга — это то, что огромное количество деталей, которые мы получаем о работе мозга, почему-то не хотят укладываться в некую общепринятую теорию. И есть некоторые изменения в том, что мы понимаем под принципами работы мозга. Существует несколько разных предложений о том, что это такое — принципы работы мозга. И довольно большое число исследователей никак не могут прийти к единому мнению в этом вопросе. Деталей много, а общая картина до сих пор не сложилась. Похожую ситуацию мы можем увидеть и в других науках, например, в физике.
Ольга Евгеньевна, вы изучаете память. Расскажите подробнее об этом. Память локализована где-то в мозге или это ситуативный процесс, и у нас нет конкретной зоны памяти?
Если коротко, то да, никакой зоны памяти нет. При этом, разрушение или нарушение работы определенных зон может приводить к амнезии. Но это не одно и то же. Есть кратковременная память, есть долговременная память, есть память имплицитная, когда мы приобрели какой-то опыт, но не можем ничего об этом сказать и не можем как-то его декларировать. А есть такие виды памяти, где мы можем сказать, например, что знаем, в каком месте находится Эйфелева башня или представляем, как работают нейроны в мозге. Это всё разные аспекты явления, которое принято называть памятью. И когда мы говорим об этих проявлениях работы мозга, мы не можем сказать, что память лежит где-то в определенном месте в мозге.
Один известный пациент с амнезией по имени Генри Молисон перенес операцию по разрушению гиппокампальных структур и некоторых корковых зон, которые были связаны с гиппокампом, в итоге он потерял возможность что-либо запоминать. У него не было впечатления, что он может описывать какие-то случившиеся с ним эпизоды. Но при этом, обучение у него всё же происходило, просто он не мог декларировать эпизоды. Грубо говоря, у пациента информация об эпизодах была, но он просто не мог об этом сказать. И ведь это явление было описано за 50 лет до случая Генри Молисона. Швейцарским врачом Эдуардом Клапаредом был описан очень известный, почти анекдотичный случай. Он постоянно здоровался за руку со своей пациенткой с похожим расстройством. У женщины тоже были проблемы с приобретением новой памяти и возможностью декларировать эпизоды из жизни. Во время одного из таких приветствий врач подложил иглу в свою руку и уколол больную. Впоследствии пациентка об этом совершенно не помнила, но стала избегать рукопожатий с доктором. Получается, что этот опыт у человека всё же остался, и такой опыт мог формировать дальнейшие взаимодействия этой женщины с миром.
В 2018 г. Ольга Сварник опубликовала научно-популярную книгу «Мозг за минуту».
А можно ли сказать, что наш мозг вообще ничего не забывает, и то, что произошло однажды, остается навсегда?
В современной нейронауке тенденция такова, что проблема памяти — это прежде всего проблема доступа к ней. Дело ведь не в том, что память как-то потерялась. Если мы представим, что любой приобретённый опыт — это формирование какой-то нейронной группы, которая теперь с ним связана, то получается, что вернуться к этому опыту — значит активировать эту группу. Если мы наслаиваем всё больше и больше других нейронных групп, уходя в нашем опыте от той первоначальной группы, то получается, что мы не можем к ней вернуться за счет того, что там уже есть другие наслоения и ветви этого «дерева опыта» изрядно разрослись.
Опыты на животных показывают, что можно заактивировать ту старую группу, которая была еще до всех этих наслоений, и вернуться к тому моменту. И в этом смысле конечно можно сказать, что да, мозг действительно хранит всё, если был сложившийся опыт. Вокруг нас сейчас есть масса краткосрочных моментов, которые на какой-то короткий период тоже «фиксируются» нашим мозгом, но при этом не переходят в долговременную фазу. А вот если всё перешло уже в долговременную память, то возможность потерять такую память — это прежде всего сложность найти к ней доступ, либо другой вариант — если клетки, связанные с этой памятью, разрушены.
Как объяснить случаи, когда какой-то запах возвращает тебя к таким далеким временам, о которых ты, казалось бы, уже не помнишь, но вдруг память оживает вновь? Запах — это сфера подсознания? И как он связан с памятью?
Бо́льшая часть того, что есть в нашем мозге, работает, не выходя на уровень, который принято называть сознанием. Но это всё равно составляет наш опыт.
В плане возможности вернуться к старым нейронным группам того опыта, который был до всех наслоений, запах играет универсальную и очень интересную роль. То есть запах помогает возродить то, к чему мы сами уже не можем подобраться: в силу завязанности предыдущего опыта на множестве других вещей, с которыми мы познакомились в процессе жизни.
Почему так происходит? Ответа на этот вопрос я, честно говоря не знаю, но он давно меня интересует. Даже какая-то картинка крайне редко приводит к подобному оживлению эпизодов нашего прошлого, а запах имеет такую уникальную возможность. В художественной литературе этот феномен был многократно и красочно описан, но с научной точки зрения трудно предположить, что бы это могло быть. Почему именно запах, даже не звук, обладает такими характеристиками? Ответ на этот вопрос мне бы тоже хотелось знать.
Почему мы на долгие годы можем запомнить какие-то незначительные детали из далекого прошлого, которые, казалось бы, не несут никакой смысловой нагрузки (например, зеленые носки, увиденные на ком-то давным-давно, или пробежавшую мимо собаку)? Или здесь, как говорил Фрейд, незначительных деталей быть не может и за этим воспоминанием стоит какое-то более серьезное, спрятанное переживание?
Такие воспоминания связаны с каким-то общим состоянием организма на тот момент. Возможно, то состояние по своим эмоциональным характеристикам действительно имело большую значимость. Наверное, такая особенность нашей памяти сыграла свою роль в эволюции: организмы, которые фиксировали с помощью своих нейронов как можно больше деталей, вероятно получали большее преимущество в эволюции.
Другой аспект — это то, что состояние, столь важное на тот момент, могло возвращаться снова и снова, когда мы мысленно думали о пережитом. И вот в момент одного из таких возвратов могли добавиться эти зелёные носки или ещё что-то. Возможно, прямого отношения к той ситуации они и не имели, но наша память, спустя какое-то время, связав это и наслоив ещё что-то, «решила», что эти зелёные носки были очень важны для той ситуации. Есть разные нюансы касательно того, как наша память претерпевает разнообразные модификации с каждый реактивацией тех нейронных групп, которые лежат в её основе. Это тоже очень интересные процессы.
Получается, что по сути самым верным является именно первое воспоминание, а все остальные возвраты, воспоминания об этом моменте, которые наслоились позже, ложные? Может быть, все наши воспоминания вообще являются неверными и мало связаны с тем, что происходило на самом деле?
Очень важно сказать, что это за виды памяти. Явление переделки памяти за счет возврата к активации самой ранней нейронной группы связано всё-таки с эпизодической памятью. А семантическая память работает как бы наоборот: если мы что-то учим, например, пытаемся запомнить все столицы мира, то здесь повторение только на пользу и это нашу память укрепляет. (Под семантической памятью подразумеваются знания (например, о том, что Эйфелева башня в Париже), а не сам эпизод моего первого видения Эйфелевой башни). А вот сам эпизод, свидетелем которого мы были, имеет тенденцию видоизменяться, приобретать детали, которых не было, и терять те, что были. Многочисленные исследования показывают, что эпизодической памяти, возможно, не стоит сильно доверять. Были ли эпизоды из нашего детства именно такими, какими мы их запомнили — этот вопрос не так прост. Вполне может быть, что похожие вещи были, но выглядели совсем не так, как мы их запомнили.
Лекция Ольги Сварник «Сон и память» в БЕН РАН.
Ольга Евгеньевна, вы работаете в Институте психологии РАН, в Московском Институте психоанализа, активно ведете преподавательскую деятельность Что вас, как ученого, больше всего привлекает в нейронауке?
Как преподаватель, я рассказываю о принципах работы мозга разным студентам: от физиков до психологов. Как учёный, я исследую клетки, которые есть в мозге на самых разных уровнях: это и нейрогенетические изменения, и изменения электрической активности, а также изменения суммарной активности мозга, регистрируемые с помощью электроэнцефалограммы на людях.
Меня очень увлекает описание и исследование поведения, а также поиск некоторых общих закономерностей для людей и для животных. Мои исследования показывают, что процесс приобретения какого-то опыта (когда организм сталкивается с какой-то новой для него ситуацией) приводит к тому, что у нас, прежде всего, реактивируются те нейронные группы, которые связаны с чем-то похожим: уже имеющимся предыдущим опытом.
Наблюдается интересная закономерность — как часто и стабильно мы, приобретая что-то новое, возвращаемся к старому. И люди, и животные, приобретя новый опыт и найдя решение для новой ситуации, уже добавив что-то новое в свой мозг, снова и снова возвращаются к старому: к ранее приобретенным формам поведения. Как будто снова и снова тестируют старую модель поведения, пытаясь убедиться, а точно ли она не работает? Ведь раньше работала? Эксперименты показывает, что люди часто даже не отдают себе в этом отчет. И вопрос о том, насколько далеко мы возвращаемся в старое и почему мы это делаем, меня сейчас занимает больше всего.