Память бывает: Что-то пошло не так (404)

Карта сайта

Карта сайта

Память

Все эти механизмы разные, но в их основе лежит один глобальный принцип – модификация синапсов. Все эти механизмы используются нашим мозгом в разных ситуациях, в том числе и синхронно.

В случае, если нам надо запомнить исходно незначимую информацию, на которую мы можем сначала даже не обратить внимание (номер телефона, имя нового знакомого, выучить иностранные слова и т.п.), в мозге запускается механизм суммации. Он может реализовываться на любом нейроне. Главным условием его реализации является постоянное методичное многократное повторение сигнала. При этом любой сильный стимул извне может привести к тому, что мы можем забыть повторяемую информацию, а потому для её фиксации, для образования нейронной связи, позволяющей её встроить в систему знаний, нужно многократное сфокусированное повторение.

Привыкание является механизмом аналогичным суммации. В ходе его реализации первоначальный стимул, вызвавший у нас сильный отклик, со временем теряет приоритет и становится фоновым. Так, если вы учите иностранный язык, бесконечно повторяя значение слов и их переводов, не фиксируя своё внимание на них, ваш мозг может запустить программу привыкания, в результате которой слова не будут фиксироваться ни в кратковременной, ни в долговременной памяти.

Механизм долговременной потенциации позволяет нам запомнить информацию, на которой сфокусировано наше внимание, или ту, которая вызвала у нас очень сильный эмоциональный отклик. Механизм долговременной потенциации реализовывается на NMDA рецепторах, специфичных для нейромедиатора глутаминовая кислота. Этих рецепторов самое большое количество в гиппокампе, кроме этого они обнаруживаются в сенсорной и ассоциативной коре, двигательных центрах. Именно эти отделы мозга являются центрами реализации механизма долговременной потенциации.

Информация, усвоенная по этому механизму, удерживается в кратковременной памяти в течение нескольких часов. После этого, если она не будет переведена в долговременную память, она потеряется. Для того, чтобы это не произошло, в процессе обучения важно делать паузы, в которых хорошо бы погулять или вздремнуть.

Самым известным и рабочим механизмом долговременной памяти является ассоциативное обучение. Впервые этот метод использовал Иван Петрович Павлов при исследовании пищевого поведения собаки.

По этому механизму мозг учится реагировать на изначально незначимый для него сигнал и связывать его с тем, что для нас имеет значение путем, формирования системы прочных нейронных связей между отделами мозга, отвечающими за восприятие и идентификацию каждого из этих сигналов.

Механизм ассоциативного обучения очень важен для мозга. Он запускается в процессе нашего обучения в школе или университете, благодаря ему мы устанавливаем сложные взаимосвязи между явлениями, которые могут показаться изначально разрозненными. Так мы изучаем высшую математику, выстраиваем бизнес-процессы, формируем картины мира, интерпретируем смыслы прочитанных текстов. А ещё, согласно этому механизму, наш мозг индуцирует страхи, связывая совершенно обычные явления и информацию, которая нас пугает.

Данные, усвоенные по механизму ассоциативного обучения, остаются в памяти на очень долгое время.

Импринтинг тоже является механизмом долговременной памяти. Традиционно он ассоциируются у нас с механизмом запоминания животными разных моделей поведения, в частности, с копирование только что вылупившимися утятами повадок собаки, оказавшейся в этот момент в поле их зрения.

Однако у человека также может реализоваться механизм импритинга. Как правило, это проявляется на уровне социальных моделей поведения, запечатленных в нашем мозге в детстве или юности. Так, по механизму импритинга мы можем выбирать сексуальных партнеров или избегать контактов с людьми с определенным типом поведения. В отличие от импритинга у животных, транслирование социальных моделей поведения человеком может быть скорректировано на протяжении его жизни.

Внутри науки о памяти

Когда Рик Хуганир, доктор философии, был подростком, он решил лучше понять физические и эмоциональные изменения подросткового возраста. «Мне было интересно, что со мной происходит, и я понял, что мой мозг изменился», — говорит Хуганир, директор Департамента неврологии Университета Джона Хопкинса.

Это привело к старшему проекту по синтезу белка и памяти у золотых рыбок, а также к пожизненному увлечению тем, как мы учимся и запоминаем вещи.

«Воспоминания — это то, кто мы есть», — говорит Хуганир. «Но создание воспоминаний — это тоже биологический процесс». Этот процесс вызывает много вопросов. Как этот процесс влияет на наш мозг? Как опыт и обучение меняют связи в нашем мозгу и создают воспоминания?

Это лишь некоторые из вопросов, которыми занимаются Хуганир и его коллеги. Их работа может привести к новым методам лечения синдрома посттравматического стресса, а также к способам улучшения памяти у людей с деменцией и другими когнитивными проблемами.

Память: все дело в связях

Когда мы что-то узнаем, даже такое простое, как чье-то имя, мы формируем связи между нейронами в мозгу. Эти синапсов создают новые цепи между нервными клетками, по существу перестраивая мозг. Огромное количество возможных соединений придает мозгу непостижимую гибкость — каждая из 100 миллиардов нервных клеток мозга может иметь 10 000 соединений с другими нервными клетками.

Эти синапсы становятся сильнее или слабее в зависимости от того, как часто мы сталкиваемся с событием. Чем больше мы вовлечены в деятельность (например, игрок в гольф тысячи раз отрабатывает замах), тем прочнее связи. Однако чем меньше воздействие, тем слабее связь, поэтому так трудно запоминать такие вещи, как имена людей после первого знакомства.

«Мы пытались выяснить, как это происходит и как укрепить синапсы на молекулярном уровне?» — говорит Хуганир.

Новые открытия в области памяти

Ответы на многие исследовательские вопросы, связанные с памятью, можно найти в сложных взаимодействиях между определенными химическими веществами мозга, в частности глутаматом, и нейронными рецепторами, которые играют решающую роль в передаче сигналов между клетками мозга. Хуганир и его команда обнаружили, что, когда мыши подвергаются травматическим событиям, уровень нейронных рецепторов глутамата увеличивается в синапсах в миндалевидном теле, центре страха мозга, и кодирует страх, связанный с памятью. Однако удаление этих рецепторов снижает силу этих связей, по существу стирая компонент страха травмы, но оставляя память.

Сейчас Хуганир и его лаборатория разрабатывают лекарства, воздействующие на эти рецепторы. Есть надежда, что инактивация рецепторов может помочь людям с синдромом посттравматического стресса, уменьшая страх, связанный с травматической памятью, а их усиление может улучшить обучение, особенно у людей с когнитивной дисфункцией или болезнью Альцгеймера.

#TomorrowsDiscoveries: использование данных для диагностики заболеваний головного мозга | Майкл И. Миллер, доктор философии.

Исследователь из Университета Джона Хопкинса Майкл Миллер объясняет, как мы можем использовать данные для создания более эффективных инструментов диагностики нейродегенеративных расстройств, таких как болезнь Альцгеймера.

Определения. Симптомы включают забывчивость, нарушение мышления и суждений, изменения личности, возбуждение и потерю контроля над эмоциями. Болезнь Альцгеймера, болезнь Хантингтона и недостаточный приток крови к мозгу могут вызывать деменцию. Большинство типов деменции необратимы.

Посттравматическое стрессовое расстройство (ПТСР) : Расстройство, при котором ваша реакция на стресс остается включенной, даже когда вам не от чего бежать или бороться. Расстройство обычно развивается после эмоциональной или физической травмы, такой как ограбление, физическое насилие или стихийное бедствие. Симптомы включают ночные кошмары, бессонницу, вспышки гнева, эмоциональное онемение, физическое и эмоциональное напряжение.

Что происходит в вашем мозгу, когда вы создаете воспоминания?

Эта история появилась в выпуске за июль/август 2020 года под названием «Давайте сохраним воспоминания». Подпишитесь на журнал Discover, чтобы получать больше таких историй.

Может быть, это туманный снимок вашей первой поездки на велосипеде. Или умение повторять теорему Пифагора. Это может быть такой же простой номер телефона, который вы нацарапали на салфетке, прежде чем он попал в корзину.

Какую бы форму они ни принимали, наши воспоминания помогают определить, кто мы есть — и что значит быть человеком. Хотя ученые размышляли о памяти со времен Сократа, новые технологии помогли сегодняшним ученым узнать гораздо больше о нейронных и биологических механизмах, лежащих в основе наших воспоминаний. Эти прорывы привели к открытию того, что наши воспоминания находятся в определенных кластерах клеток мозга. Некоторые ученые изучают, как люди хранят и извлекают воспоминания, перемещаясь в среде виртуальной реальности. Другие изучают, как такие эмоции, как страх, кодируются в мозгу, а также схемы, контролирующие то, чего мы боимся.

Это исследование тоже не основано на реферате. Проекты нацелены на практическое применение, включая возможные методы лечения таких состояний, как болезнь Альцгеймера и посттравматическое стрессовое расстройство.

И хотя большая часть науки о памяти все еще туманна, вопрос о том, как именно наш мозг формирует воспоминания, становится все более ясным.

(Источник: Эван Ото/Science Source)

Длинное и короткое

Понятие человеческой памяти не относится к чему-то одному. Термин представляет собой зонтик для множества воспоминаний, от названий цветов до полузабытых текстов песен и вашего первого разрыва. Итак, что это за различные типы памяти?

Более века назад ученые разделили память на кратковременную и долговременную. Кратковременная память, иногда называемая рабочей памятью, относится к нашей способности сохранять информацию или события из недавнего прошлого, но только до 20 секунд назад, а иногда и меньше. Другими словами, это то, что вы активно держите в голове, выполняя другие задачи — например, запоминая номер телефона, когда прокручиваете страницу, чтобы добавить его в список контактов.

В 1990-х годах ученые проанализировали снимки головного мозга с высоким разрешением и обнаружили, что эти мимолетные воспоминания зависят от возбуждения нейронов в префронтальной коре — передней части мозга, отвечающей за высокоуровневое мышление.

«Это временные [воспоминания]», — говорит нейробиолог и писатель Дин Бернетт. «Они не предназначены для длительного хранения, потому что они постоянно меняются и находятся в постоянном движении.

«Если вы удерживаете что-то в мозгу достаточно долго, вы можете превратить это в долговременную память», — добавляет он. «Вот почему, если вы произносите что-то вроде номера телефона, в конечном итоге вы можете довольно легко его запомнить. Но если поступает слишком много информации, ваша кратковременная память перегружается, и первые [биты информации] выбрасываются».

(Источник: Macrovector/Shutterstock; создание мифов/Shutterstock)

Долговременная память, напротив, представляет собой сокровищницу знаний и прошлых событий, собранных на протяжении всей нашей жизни. И хотя кратковременные воспоминания поддерживаются вспышками нейронной активности, долговременные воспоминания на самом деле формируют физическое присутствие в мозгу. Когда формируется долговременная память, связи между нейронами, известные как синапсы, укрепляются. В некоторых случаях создаются совершенно новые синапсы. И чем больше мы возвращаемся к воспоминаниям, активируя эти нервные пути, тем крепче становятся связи — как если бы вы топтались в лесу, чтобы создать хорошо протоптанную тропу.

Долговременные воспоминания также могут принимать различные формы. Например, имплицитные воспоминания лежат в основе автоматических действий, таких как завязывание шнурков на ботинках или чистка зубов. Эти инстинктивные действия происходят в бессознательной части мозга. «Вот почему люди с амнезией все еще могут делать эти вещи, даже если они не помнят, что делали это раньше», — говорит Бернетт. «Обучение идет своим чередом».

Долгосрочные воспоминания, о которых мы активно осознаем, известны как явные воспоминания. Они делятся на эпизодическую и семантическую память. Последний описывает конкретное концептуальное знание, например дату подписания Декларации независимости. Эпизодическая память описывает события и переживания из вашей собственной жизни. В эту категорию попадает все, от вашего празднования 21-го дня рождения до поездки в Европу.

«Семантическая память — это [знание], что Париж — столица Франции», — говорит Бернетт. «Эпизодическая память — это [воспоминание] того времени, когда я поехал во Францию, и меня вырвало с Эйфелевой башни».

Lighting The Way

Ученые Массачусетского технологического института пометили клетки (выделены красным), в которых хранятся энграммы памяти у мыши. гиппокамп. (Фото: Стив Рамирес и Сюй Лю)

То, что мы делаем в жизни, оставляет следы в нашей памяти. Подобно тому, как Марсель Пруст вгрызается в свои любимые мадлен, вызывая нахлынувшие когда-то забытые детские воспоминания, следы воспоминаний могут вызвать в воображении яркие сенсорные переживания вещей прошлого. Еще со времен Древней Греции ученые предполагали, что эти остатки могут даже изменить физическую структуру мозга. Но только на рубеже 20-го века начали появляться научные модели этого процесса. В 1904 немецкий ученый по имени Ричард Семон предположил, что эти следы, которые он назвал инграммами памяти, представляют собой физические изменения в мозгу после события или опыта. «В то время не существовало технологии для идентификации тех клеток мозга, которые содержат определенную инграмму для определенной памяти», — говорит Сусуму Тонегава, профессор биологии и неврологии в Массачусетском технологическом институте и лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1987 года.

Прошло более 100 лет. Затем, в 2005 году, ученые начали использовать оптогенетику — метод стимуляции генетически модифицированных нейронов, чтобы они реагировали на импульсы синего света. С помощью этой новой технологии стало возможным локализовать и идентифицировать конкретные нейроны, несущие энграммы памяти у животных. В исследовании Nature 2012 года Тонегава и исследователи из Массачусетского технологического института и Стэнфордского университета использовали оптогенетику, чтобы продемонстрировать, что следы нашей памяти действительно живут в определенных кластерах клеток мозга. Кроме того, простая активация нескольких из этих нейронов может вызвать всю память.

Ячейки (показаны зеленым и красным) необходимы для постоянного хранения в памяти. (Фото: Такаши Китамура)

В статье исследовательская группа описывает, как они определили определенную группу нейронов в гиппокампе, части мозга, участвующей в формировании долговременных воспоминаний, которые начинают активироваться при определенных условиях. В данном случае исследователи сделали это, заставив мышей исследовать незнакомую клетку. «[Затем] вы наносите [мыши] легкие удары электрическим током по их подушечкам», — говорит Тонегава. «И мышь сразу сформирует воспоминание, что эта клетка — страшное место». На следующий день, говорит Тонегава, когда мышей поместили в клетку, не выключая при этом разрядку, такое обусловливание заставило их бояться окружающей среды. Позже исследователи ввели грызунам белок, который может активировать клетки головного мозга — в частности, нейроны в гиппокампе, на которые нацеливались ученые, — подсвечивая их синим светом. «Эти белки обладают химическим свойством активировать клетки при воздействии на них света определенной длины волны. доставлено», — добавляет Тонегава.

Затем, когда ученые осветили мышей импульсами света в совершенно другой среде, нейроны в гиппокампе, которые они пометили белком, пришли в действие — и мыши замерли на месте. Исследователи считают, что животные мысленно возвращались к опыту шока. «Это логика эксперимента», — говорит Тонегава. «Вы можете сказать, что эти нейроны, которые были помечены вчера, теперь несут эти энграммы памяти». Другими словами, даже несмотря на то, что память о клетке стимулировалась искусственными средствами, мыши все же помнили ее, предполагая, что следы события находятся в определенной популяции клеток мозга. «Вы действительно можете идентифицировать нейроны, несущие энграммы, и пометить [их] краской, чтобы увидеть их под микроскопом», — говорит Тонегава. «Теперь вы можете манипулировать этими клетками, в частности [с помощью] оптогенетики, и посмотреть, какой эффект это окажет».

Когда мы формируем новые долговременные воспоминания, связи между нашими нейронами, известные как синапсы, укрепляются. (Фото: Sciepro/Shutterstock)

Тонегава надеется использовать эту технологию, чтобы узнать больше о биологических механизмах, лежащих в основе болезни Альцгеймера, и, возможно, вылечить болезнь на ранних стадиях. В нескольких исследованиях на людях, говорит он, даже до того, как мозговое расстройство начинает атаковать гиппокамп, некоторые пациенты изо всех сил пытаются создать новые воспоминания. «[Мозг] выглядит нормально, но на самом деле у них были нарушения», — добавляет он.

Теперь Тонегава хочет выяснить, связаны ли эти когнитивные сбои на начальных стадиях болезни с неспособностью формировать новые воспоминания, или же пациенты могут создавать новые воспоминания, но не восстанавливать их. Он указывает на исследования более ранних стадий болезни Альцгеймера на моделях мышей, которые предполагают, что эти воспоминания все еще формируются и оставляют физические следы, но не могут быть вызваны естественными сигналами. Но когда ученые использовали искусственные методы, такие как оптогенетика, для реактивации клеток, несущих энграммы памяти, говорит Тонегава, животные смогли отлично запомнить новый опыт.

(Источник: Designua/Shutterstock)

«Обнаружить что-то подобное можно было только с помощью технологии», — добавляет он. «Это действительно позволяет нам исследовать, что происходит в процессе обучения и памяти».

Воображаемые миры, настоящие воспоминания

В последние несколько десятилетий все больше исследователей используют в своей работе технологии виртуальной реальности. В последние годы Нантия Сутана, нейробиолог из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, стала одной из первых исследователей, использовавших виртуальную реальность для изучения того, как мозг человека хранит и вспоминает воспоминания, перемещаясь в моделируемой среде.

«Исторически сложилось так, что подавляющее большинство [исследований памяти] проводилось на крысах и мышах, бегающих по лабиринтам, — говорит Сутана. «Многое из того, что мы знаем о мозге, получено благодаря этим исследованиям. И для того, чтобы мы могли перевести их и посмотреть, действительно ли они верны для людей, нам нужно что-то, что свяжет их».

(Источник: Mrspopman1985/Shutterstock)

В двух исследованиях, находящихся в настоящее время на рассмотрении, Сутана и ее коллеги работали с пациентами с имплантатами глубокого мозга для лечения эпилептических припадков. Исследователи надели на пациентов гарнитуры виртуальной реальности, постоянные имплантаты которых позволили ученым записывать мозговые волны во время эксперимента. После того, как участники надели защитные очки и боди с функцией захвата движения, украшенные светоотражающими точками для отслеживания их движений, они выполнили серию тестов на обучение, память и навигацию в смоделированной среде.

В виртуальном ландшафте пациентов просили подойти к цифровым желтым цилиндрам и запомнить местоположение каждого из них. Чтобы продемонстрировать свою память, участников попросили повторить свой путь к каждому цилиндру — теперь невидимому — и нажимать кнопку джойстика, когда они думали, что достигли каждого из них. Затем исследователи загрузили запись мозговых волн пациента, проанализировав их, чтобы увидеть нейронную активность, связанную с воспоминаниями о пространстве и местоположении.

В частности, ученые сосредоточились на электрических сигналах в мозге, известных как тета-колебания, которые были обнаружены у людей во время движения. И исследовательская группа обнаружила, что эти мозговые волны были более активны во время навигационных задач, предполагая, что они являются важными строительными блоками пространственной памяти. Ученые предположили, что эти мозговые волны могут помочь нам визуализировать и реконструировать наши воспоминания, когда мы перемещаемся по миру.

Нейробиолог Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Нантия Сутана использует виртуальную реальность для изучения того, как наш мозг хранит и извлекает воспоминания о движении. (Источник: Джейсон Купер)

Сутане знакома хрупкая память. После рождения сына она пережила короткий период амнезии, во время которого не могла вспомнить целое десятилетие. «Я думала, что снова стала аспиранткой, — говорит она. «Это действительно пугающий и загадочный опыт». В конечном счете, она надеется, что исследования, подобные ее, помогут ученым восстановить воспоминания, утраченные в результате травм и неврологических расстройств, таких как болезнь Альцгеймера.

«Мозг — это электрический язык, — говорит она. «Итак, если мы сможем общаться с мозгом с помощью электричества, возможно, мы сможем помочь, когда что-то пойдет не так».

Борьба со страхом

Подумайте на секунду о том, чего вы боитесь. Это могут быть пауки. Или угроза автокатастрофы. Это может быть так же просто, как нехватка денег, чтобы заплатить за аренду в следующем месяце. Для многих из нас эти страхи связаны с воспоминаниями о прошлом опыте.

Когда мы формируем эпизодические воспоминания о том, что с нами произошло, задействованы три области мозга: гиппокамп, неокортекс и миндалевидное тело. Гиппокамп берет информацию из наших воспоминаний и физически кодирует ее в связи между нейронами. Позже эти данные иногда передаются в неокортекс — тонкую ткань, формирующую внешний слой мозга, — для длительного хранения. Но именно миндалевидное тело, миндалевидная масса мозгового вещества, наполняет наши воспоминания такими эмоциями, как страх.

«Если переживание имеет сильный эмоциональный компонент, миндалевидное тело впрыскивает его во вновь формирующуюся память», — говорит Бернетт. «Если у кого-то активная миндалевидное тело, он учится бояться вещей».

Ученые из Института мозга Квинсленда изучают нейронные связи, лежащие в основе воспоминаний о страхе и травмах. (Фото: Jiris/Shutterstock)

В последние годы ученые многое узнали об аппаратном обеспечении нашего мозга, которое модулирует нашу реакцию на страшные воспоминания. В Квинслендском институте мозга в Австралии исследователи регистрируют электрическую активность между этими тремя областями мозга у мышей, когда они приучены бояться определенного ощущения или шума.

«Вы берете нейтральный раздражитель, такой как тон или свет, и с его помощью вы предъявляете животному неприятный стимул, такой как удар ногой или громкий звук», — говорит нейробиолог Панках Сах, директор института. «И животное довольно быстро усваивает, что этот безобидный стимул предвосхищает этот неприятный. Затем он формирует память о нем.

«Если сделать это на крысах три или четыре раза сегодня, а затем вернуться через год и представить тот же тон, это животное вспомнит, что тон был пугающим, и отреагирует соответствующим образом», — добавляет он. «То же самое можно делать и с людьми».

Эту обусловленность тоже можно использовать во благо. Если мышь снова и снова слышит тот же самый тон, но без шока, то шум перестанет заставлять животное замирать от страха. В конце концов, благодаря процессу, называемому угасающим обучением, боль памяти исчезает. Этот процесс является ключом к поведенческой терапии для пациентов с такими состояниями, как посттравматическое стрессовое расстройство. Но, несмотря на эффективность этих техник, тренировка угашения не стирает травмирующие воспоминания — она просто истощает часть их сил. Если что-то напоминает кому-то об исходном травматическом воспоминании в новом контексте, даже после угасания оно может снова затвердеть, переформировав связь между триггером и реакцией. «Люди, употребляющие героин инъекционно, могут научиться не делать этого, — говорит Сах. «Но когда контекст меняется или что-то происходит в окружающей среде, и это место больше не является безопасным, все эти воспоминания возвращаются».