Содержание
Загадки памяти
Экран в голове
Мозг и информационные потоки
Информация и мозг
Диспетчерская память
Информационные кванты и библиотека памяти
Биохимические кладовые
Комментарии специалистов
Автомобиль мчится по шоссе. Небольшие препятствия на дороге водитель обходит, слегка поворачивая рулевое колесо и совсем не запоминая их.
И вдруг на пути возникает пешеход. Мгновенная реакция, бросок руля к счастью, все обошлось…
Но водитель долго еще не может успокоиться, а картина едва не случившейся беды врежется в его память на всю жизнь.
Загадки памяти
Почему память фиксирует стрессовую информацию? Как десятки лет работает уникальное хранилище памяти? Чем занята биохимическая лаборатория мозга при переработке информации? Что несут электрические импульсы по живым проводам нейронов?
На протяжении многих лет человек стремится понять феномены своей памяти. Он вторгается в мозг микроэлектродами, включенными в цепи чувствительных приборов; окрашивает тончайшие срезы мозговой ткани, а затем рассматривает под микроскопом причудливые нейронные сети; выделяет белки мозга обученных животных и, вводя полученные субстанции в необученный мозг, пытается обнаружить в нем следы памяти…
Такую работу мало назвать ювелирной, она во много раз тоньше и кропотливее, однако тайны раскрываются медленно, ибо в живой человеческий мозг удается заглянуть лишь во время трагических событий.
Большинство загадок кроется в коре больших полушарий, сплетенной из десятка миллиардов нейронов. Они принимают, перерабатывают, хранят и выдают информацию действия, решения, прогнозы, образы.
И все это происходит благодаря биохимическим превращениям, благодаря замысловатым ходам электрических импульсов, не прекращающимся даже во сне.
Достижения современной нейрофизиологии позволяют утверждать, что информация кодируется цепочками нейронов, соединенных друг с другом синапсами, которые временно обретают способность проводить сигналы при выделении особых химических веществ — медиаторов.
Даже учитывая астрономическое число нейронов, вряд ли целесообразно сохранять их сцепки на каждое заложенное в память событие или образ. Логичнее предположить, что нейроны пребывают в «горячем резерве» и по специальным командам образуют цепи.
Увы, общей картины, поясняющей функционирование таких цепей, пока нет, а без нее и нет ответов на поставленные вопросы.
Предпримем попытку нарисовать такую картину, опираясь на установленные факты, известные связи и структуры мозга, изученные в них процессы и собственные, порою несколько вольные гипотезы.
Экран в голове
Однажды лауреат Нобелевской премии Ф. Крик, тщетно пытаясь объяснить собеседнице принципы восприятия человеком окружающего мира, в отчаянии спросил, каким образом видит мир она.
Дама ответила, что, вероятно, у нее в голове есть маленький телевизор. Тогда Крик задал еще один вопрос:
— А кто смотрит на его экран?
Собеседница убедилась в своем заблуждении. Но истина не прояснилась. Комментируя этот диспут, ученый заметил, что механизмы восприятия мира сложны и запутанны, а путь к их познанию извилист и долог. Попробуем хотя бы немного по нему продвинуться.
Пять органов чувств (сенсорных систем) несут в мозг информацию о зрительных образах, звуках, запахах, тепловых, механических и вкусовых ощущениях.
Несомые ими изображения «заканчиваются» на сетчатках глаз, звуки — на барабанных перепонках, вкусовые ощущения — на рецепторах языка и т. д. Затем первичные рецепторы преобразуют информацию в электрические импульсы, которые по нервным волокнам устремляются в кору больших полушарий.
Мозг и информационные потоки
Как же мозг выделяет и усваивает информационные сообщения из потока поступающих импульсов?
Главным «переключателем» сообщений считается подкорковое скопление нейронов — ядра таламуса, или зрительные бугры. (Обонятельную луковицу, имеющую сходную структуру, можно считать вынесенным ядром таламуса, связи которого с первичными рецепторами предельно укорочены.)
Нейроны таламуса связаны выходными каналами (аксонами) с проекционными зонами коры. Электрическая активность проекционных зон при раздражении рецепторов дает основание предполагать, что в этих зонах сигналы рецепторов синтезируются в виде итоговой информации, которую и воспринимает наше сознание.
Если воспользоваться современными техническими аналогиями, можно сказать, что эти зоны как бы выполняют роль дисплея — нейродисплея, который с помощью нейронных цепочек синтезирует из поступающих импульсов условные образы и ощущения, неразрывно связанные с реакцией первичных рецепторов на информацию-раздражитель.
При этом преобразованные сетчаткой зрительные образы включают зрительную кору (нейровизор), преобразованные в импульсы звуки включают слуховую кору (нейрофон) и т. п.
Примечательная особенность нейродисплея заключается в его способности одновременно синтезировать пять различных типов образов или ощущений, взаимно дополняющих характеристику внешнего объекта.
Выходит, что наш гипотетический нейродисплей все же имеет какое-то сходство с телевизором, поскольку превращает поток электрических импульсов в информационные образы.
Введение нового понятия отнюдь не воскрешает идею гомункулуса, ведь нейродисплеем мы назвали вполне определенные участки мозга — первичные зоны коры, электрическая активность которых повышается в моменты приема информации.
Информация и мозг
Из нейродисплея довольно мощные пучки аксонов идут в ассоциативные зоны коры, а оттуда часть аксонов возвращается в таламус, осуществляя обратную связь.
Лауреаты Нобелевской премии Д. Хьюбел и Т. Визель отмечают, что для зрительной системы «функция этой цепи обратной связи неизвестна». Так же обстоит дело и с другими сенсорными системами.
Вряд ли природа может позволить себе роскошь вводить ненужные каналы в таком компактном органе, как мозг, поэтому попытаемся объяснить роль обратных связей «нейродисплей — таламус».
Необходимость выделять жизненно важную информацию способствовала эволюционному развитию мозга, который все более четко разделял информацию по уровню ее актуальности.
Если информация актуальна и требует ответной реакции организма, в таламус направляются импульсы положительной обратной связи, которые обеспечивают повторные включения нейродисплея (поддерживают реверберацию включившихся нейронных цепей). Тем самым информация удерживается на время, необходимое для принятия решения.
Это свойство нейродисплея позволяет нам, закрыв глаза, «видеть» предметы (еще одна аналогия с телевидением, которое может повторить для нас давно минувшее мгновенье, скажем, мастерски забитый гол), «слышать» отзвучавшую мелодию, ощущать тяжесть, которую мы уже сбросили с плеч…
Если информация неактуальна (или стала неактуальной), нейродисплей выключает сам себя, посылая в таламус импульсы отрицательной обратной связи. Происходит адаптация сенсорных систем к неактуальной информации (поэтому, например, мы и не слышим привычного тиканья часов).
Эксперименты показывают, что существуют два различных интервала времени, в которые кора реагирует на раздражение рецепторов: до 0,5 с и от 2 до 12 мин.
Возможно, эти интервалы соответствуют двум режимам работы нейродисплея: однократному включению при неактуальной информации и повторным включениям при кратковременном удержании информации в памяти.
Если это предположение верно, то таламус, нейродисплей и связи между ними образуют контур кратковременной памяти. Кстати, при выходе из строя таламуса кратковременная память не функционирует.
Диспетчерская память
Порой мы читаем книгу и не воспринимаем текста, смотрим в окно и ничего не видим, хотя глаза привычно фиксируют буквы и предметы. В эти моменты наше внимание отвлечено, мы что-то вспоминаем, занимая мозг переработкой другой, накопленной ранее информации.
Следовательно, нейродисплей не всегда реагирует непосредственно на сигналы рецепторов, а подчиняется командам какого-то центра внимания, диспетчера, управляющего памятью.
Гипотетический центр внимания должен, вероятно, находиться в подкорковой области, которую называют старым мозгом. В самом деле, животные, не имеющие коры, способны все-таки концентрировать свое внимание на актуальной информации, иначе они не могли бы искать пищу или защищаться от врагов.
С другой стороны, такой центр должен иметь связи со всеми зонами коры, чтобы воздействовать на них. Этим условиям удовлетворяет довольно крупное скопление нейронов — неостриатум, расположенный в центре мозга.
Связи нейронов неостриатума с корой и их электрическое взаимодействие позволяют описать работу центра внимания следующим образом.
При попадании информации на внешние рецепторы в первую очередь возбуждается неостриатум, который посылает свои сигналы в таламус и включает нейродисплей.
Информация удерживается в контуре кратковременной памяти на время принятия решения, а из коры в неостриатум поступают импульсы отрицательной обратной связи, отключая центр внимания и подготавливая его к приему новой информации.
Степень актуальности информации неостриатум, вероятно, определяет по сигналам гипоталамуса, который следит за процессами жизнеобеспечения организма.
Попробуем доказать такое предположение с помощью известных фактов.
Во-первых, нейроны неостриатума одними из первых реагируют на внешнюю информацию, это явление называют опережающей электрической активностью.
Во-вторых, при выходе из строя неостриатума нарушается восприятие зрительных образов (нейродисплей не включается!).
В-третьих, неостриатум имеет обширные связи с таламусом, гипоталамусом, а главное, со всеми зонами коры.
Информационные кванты и библиотека памяти
Мы знаем, что часть информации из нейродисплея попадает в долговременную память. При этом, по-видимому, важна не продолжительность воздействия информации, а ее актуальность.
При заучивании наизусть повторные включения нейродисплея достигаются многократным раздражением первичных рецепторов, то есть искусственным повышением уровня актуальности информации.
Когда откладывается в памяти разовая, но стрессовая информация (например, опасное дорожное происшествие), это связано, вероятно, с общим возбуждением, повышением электрической активности и самопроизвольными повторными включениями нейродисплея.
Известно, что в формировании долговременной памяти большую роль играют биохимические процессы. Циклы включения нейродисплея, по-видимому, можно связать с активацией выделения медиаторов.
При их участии в ассоциативных зонах коры, получающих сигналы от нейродисплея, коммутируются свои цепочки нейронов, кодирующие информацию длительного хранения.
Ассоциативные зоны коры, располагая наибольшими скоплениями нейронов, могут образовывать огромное количество оригинальных нейронных комбинаций.
Однако мало вероятно, что в памяти кодируются образы или события в виде сложных, уникальных цепей. По понятным причинам их сборка неизбежно привела бы к уменьшению быстродействия и надежности всей и без того сложной системы.
Можно предположить, что при переводе в долговременную память нейродисплей разделяет информацию на простые признаки объекта.
Такие кванты информации должны быть достаточно универсальными, чтобы характеризовать все многообразие окружающих нас объектов и явлений, и в то же время достаточно элементарными, чтобы для их кодирования не требовались сложные нейронные ансамбли.
Итак, нейродисплей выделяет информационные кванты и посылает кодовые сигналы в ассоциативную кору, где собираются цепочки нейронов, соответствующие кирпичикам информации.
Многократные включения таких цепочек закрепляют в нейронах коры локальные программы, по которым при обращении к долговременной памяти и происходит повторная сборка необходимых нейронных цепей.
Вероятно, актуальная или часто употребляемая информация неоднократно закладывается в память одинаковыми квантами в разных зонах коры. Это позволяет пользоваться всей информационной библиотекой даже при частичном повреждении участков коры.
Обратные связи (ОС) давно изучены и широко используются в радиоэлектронике, автоматическом регулировании, АСУ, однако приоритет, вероятнее всего, принадлежит головному мозгу. Можно предположить, что таламус, нейродисплей (первичные зоны коры) и связи между ними образуют контур кратковременной памяти (I). А контур долговременной памяти это ассоциативные коры, таламус, нейродисплей и их обратные связи (II).
В пользу такой схемы свидетельствует факт коммутации нейронов таламуса во время функционирования долговременной памяти без воздействия информации на внешние рецепторы.
С помощью двух контуров памяти можно объяснить феноменальную способность мозга распознавать знакомые объекты по ограниченному числу признаков (например, человека в сумерках). В этом случае контур кратковременной памяти фиксирует и накапливает в нейродисплее признаки, воспринимаемые внешними рецепторами, а контур долговременной памяти, подобно фотороботу, подает в нейродисплей хранящиеся в памяти недостающие признаки. По сумме признаков и происходит синтез образа, опознавание объекта систем.
При переводе в хранилища памяти информации, воспринимаемой одними сенсорными системами, нередко используются кванты других сенсорных систем. B такие моменты наблюдается повышение электрической активности многих зон коры.
И запах бензина ассоциируется в нашей памяти с канистрой, вкус лимона — с желтым продолговатым плодом, нежный женский голос – с его обладательницей.
При обращении к памяти протекают процессы, обратные запоминанию: повышается электрическая активность коры, запускаются программы коммутации нейронов в ассоциативных зонах, собранные цепочки генерируют потенциалы, которые поступают в таламус и включают нейродисплей, синтезирующий кванты припоминаемой информации.
Можно предположить, что нейродисплей накапливает кванты и постепенно из их мозаики синтезирует образ или событие. При этом «правильные» включения нейронов закрепляются положительными обратными связями таламус — кора, а ненужные включения гасятся отрицательными связями.
Отсутствие какого-либо кванта приводит к известному ощущению — припоминаемый объект «крутится» в памяти, но не синтезируется полностью: полузабытый номер телефона, «лошадиная» фамилия из чеховского рассказа.
Биохимические кладовые
Чтобы завершить описание процесса переработки информации, необходимо показать, как накапливаются, а потом извлекаются кванты памяти, где и как размещены программы сборки нейронных ансамблей.
Считается, что некоторые программы инстинктивного поведения животных (например, миграции птиц) закладываются в память с помощью генетических кодов.
Должно быть, обучение на протяжении многих поколений выработало одни и те же программы поведения, закрепленные генетически. Таким образом, весьма сложные программы могут быть записаны на клеточном уровне, посредством молекулярных вариаций.
Значит, уместно предположить, что и сравнительно простым программам — квантам памяти совсем нетрудно разместиться в «кладовых» нейрона.
Процесс образования таких программ можно представить следующим образом. По командам нейродисплея происходят многократные сборки цепочек нейронов ассоциативных зон, что приводит к накоплению в синапсах особых модификаций медиатора.
Тогда можно предположить, что при извлечении квантов памяти поступление импульса на вход нейрона (дендрит) будет вызывать выделение медиатора в соответствующий выходной синапс и привычное (натренированное) включение нейрона в цепь информационного кванта, синтезируемого нейродисплеем.
Такой механизм неплохо согласуется с известной иммунохимической гипотезой памяти, которая связывает нейронные сборки с синтезом в них так называемых антител — коннекторов.
Если гипотезы подтвердятся
Если допустить, что во время сновидений идет проверка и тренировка памяти путем включения ее контуров, то, наверное, возможны методы управления сновидениями, которые позволят улучшить деятельность мозга.
Определение количества циклов включения нейродисплея, необходимого для перевода информации в память, может оказать влияние на методы обучения (вспомним известный прием — вклеивание рекламных кадров в остросюжетный фильм).
Не исключено, что некоторые психические заболевания (например, навязчивые идеи) связаны с самопроизвольными включениями нейронов в одну и ту же цепь.
И если это так, то избавиться от недуга можно будет, искусственно разрывая патологические нейронные сцепки и закрепляя в памяти устойчивые программы, соответствующие нормальному поведению.
Все эти гипотезы требуют, разумеется, доказательства. Однако пока его нет, они, как представляется автору, могут быть полезными при исследованиях в области медицины, психологии, бионики, робототехники.
Квантовый подход к изучению процессов переработки информации перспективен не только в познании человеческого разума, но и при создании его электронных аналогов.
Кандидат технических наук Фримштейн М. И.
Комментарии специалистов
Обобщения всегда полезны. Современная нейрофизиология непрерывно углубляется в биохимические и электрические дебри механизмов памяти. Научные журналы насыщены публикациями о тончайших исследованиях на клеточном, молекулярном и электронном уровнях.
В то же время ощущается некоторый недостаток в физиологических обобщениях, позволяющих пытливому читателю хоть как-то понять работу человеческого мозга. А обобщения полезны всегда.
Так что вполне можно оправдать попытку автора заглянуть в чужую для него область. Познания в электронике и повышенный интерес к нейрофизиологии позволили ему выполнить логические построения, представляющие интерес не только для широкого круга читателей, но, на мой взгляд, и для специалистов.
Не связанный запретами и ограничениями, присущими профессионалам любой области, автор весьма своеобразно объясняет процессы обработки информации и механизмы памяти, вводя ряд новых понятий.
При этом отчетливо прослеживается связь его рассуждений с установленным взаимодействием структур головного мозга.
Можно, конечно, критиковать некоторые доказательства автора, использующего лишь те известные факты, которые «льют воду на его мельницу».
Например, играющая не последнюю роль в переработке информации корковая структура мозга гиппокамп в поле зрения автора не попала. Однако нешаблонное изложение волнующей многих проблемы позволяет рекомендовать статью читателям.
Она может разозлить, в хорошем смысле этого слова, специалистов, которые в попытке опровергнуть (или подтвердить?!) любительские гипотезы, возможно, продвинутся по нелегкому пути познания истины.
Доктор биологических наук Варламов В. А.
Видео: Отношения и мозг. Юмор.
Мозг человека – гипотезы ученых быстрой эволюции мозга
19 полезных правил для здоровья вашего мозга
Мозг. Мысль. Причины лени.
Дежавю и прочие расстройства памяти
Запоминание — мнемотехника — искусство запоминания
