Способность запоминать и хранить воспоминания в течение нескольких дней или всей жизни — важная функция мозга, необходимая и людям, и животным для адаптации к окружающей среде и выживания. Распространение по мере старения населения возрастных нарушений, связанных с работой памяти, хорошо показывает, насколько неприспособленными к жизни становятся люди, потерявшие большую часть своих воспоминаний.
Понимание того, как мозг хранит информацию и регулирует то, какие воспоминания останутся надолго, а какие — исчезнут, поможет разработать методы для укрепления памяти у тех, кто подвержен риску развития возрастных нарушений, восстановить нормальную работу мозга после травмы.
Как работает память?
Различные типы памяти создаются и хранятся по-разному и в разных областях мозга. Нейробиологи пока не до конца понимают тонкости всех процессов, продолжают уточнять детали и открывать новые функции мозга. Тем не менее, известно, что автобиографические воспоминания — воспоминания о событиях, пережитых лично — начинают обретать устойчивую форму в части мозга, называемой гиппокампом, в часы и дни, следующие за событием.
Нейроны — клетки нервной системы общаются друг с другом через синапсы. Это области, в которых две клетки соединяются и обмениваются «информацией» через крошечную щель с помощью химических посланий (нейротрансмиттеров). Каждый нейрон может быть связан при помощи синапсов с тысячами других.
Одно из ключевых свойств нейронов — синаптическая пластичность. Так называют способность синапсов усиливаться или ослабевать с течением времени в ответ на увеличение или уменьшение активности взаимодействия. Считается, что долговременные изменения эффективности работы синапсов, зависящие от частоты «использования», важны для обучения, формирования памяти и развития нейронов.
Нейроны постоянно производят новые белки для ремоделирования частей синапса, таких как рецепторы для определенных нейротрансмиттеров. Это позволяет нервным клеткам выборочно укреплять свои связи друг с другом. В результате формируется сеть, которая кодирует память. Чем чаще «активируется» воспоминание, тем сильнее становится его нейронная сеть. Такие структуры выходят за пределы гиппокампа и формируют долгосрочную память в различных отделах головного мозга.
Можно ли увидеть воспоминания?
Еще в конце XIX века ученые создали первые микроскопы достаточно мощные, чтобы идентифицировать отдельные нейроны. К середине следующего века электронные микроскопы показали синаптические структуры шириной всего несколько десятков нанометров, а позже с помощью двухфотонных микроскопов исследователи наблюдали, как синаптические связи формируются в режиме реального времени в процессе обучения.
Одна из моделей, которую нейробиологи используют для работы с памятью — это энграмма. Так называют физический след (нейронную сеть) конкретного воспоминания в мозгу. Клетки энграмм — это популяции нейронов, реактивация которых приводит к индивидуальному извлечению воспоминаний.
Многочисленные исследования в области генетики позволили визуализировать такие энграммы. Например, ученые использовали вирусы, чтобы внедрить зеленый флуоресцентный белок, обнаруженный в медузах, в мозг мышей, заставляя нейроны светиться во время обучения. А, внедряя чувствительный к свету белок водорослей, каналродопсин (ChR2), можно искусственно активировать те или иные нейроны, «отключать» или «запускать» определенные энграммы.
Например, исследователи из MIT идентифицировали энграмму, которая формировалась в мозге у мышей в процессе обучению страху. Повторная искусственная активация этой сети нейронов при помощи синего света вызывала у животных «замирание» — характерную реакцию на опасность.
Еще один метод визуализации воспоминаний — функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ). Эта технология основана на связи активности нейронов с изменением кровотока головного мозга. Наблюдая за тем, как меняется гемодинамика (движение крови) исследователи определяют, какие области мозга активны в тот или иной момент.
С помощью этой технологии, например, исследователи из Орегонского университета обучили ИИ распознавать и реконструировать образы лиц, всплывающие в памяти человека. В процессе обучения участникам показывали фотографии лиц различных людей, а компьютер обрабатывал данные фМРТ и формировал шаблоны мозговой активности, характерные для каждого снимка.
После этого, когда участникам показали новую неизвестную ИИ фотографию, на основе активности мозга компьютер попытался восстановить лицо на снимке. Хотя до полного сходства готовому изображению было далеко искусственная нейронная сеть достаточно точно определила и воссоздала некоторые черты, а также отразила субъективное восприятие человеком определенных черт, например, цвета кожи.
Можно ли манипулировать воспоминаниями?
Один из способов формирования «ложных воспоминаний» у мышей продемонстрировали почти десять лет назад исследователи из Массачусетского технологического института. Предложенный учеными подход основан на выявлении энграмм, связанных с определенными событиями и их активации с помощью оптогенетики (управления нейронами с помощью света).
Ученые провели генетическую коррекцию мышей таким образом, чтобы внедрить в нейроны ген, кодирующий белок каналродопсин (ChR2). Это светочувствительный белок, который служит фоторецептором у одноклеточных зеленых водорослей. Ген был модифицирован таким образом, чтобы запускать экспрессию флуоресцентного белка при активации нейрона. Такая модификация позволила ученым отслеживать, какие нейроны активны (флуоресцируют) в процессе обучения, а также повторно активировать их с помощью света.
Во время эксперимента ученые помещали лабораторных мышей в первую «комнату» и считывали энграмму (нейронную сеть), которая соответствовала воспоминаниям об этой среде. После этого животных перемещали во вторую среду, активировали нейроны, связанные с первой «комнатой», и били током.
Дальнейший анализ показал, что у животных формировалось ложное воспоминание, связанное со страхом исходной области (первой «комнаты»). Хотя мышей там никогда не били током, при помещении в эту среду они замирали от страха.
Хотя эта работа представляет собой только примитивный эксперимент, а мозг человека намного сложнее мышиного, исследование показывает, как легко изменяются воспоминания под воздействием внешних воздействий. Многочисленные исследования формирования у людей в повседневной жизни ложных воспоминаний подтверждают эту пластичность.
Читать далее:
Меч, который считали подделкой, оказался артефактом бронзового века и ему 3 000 лет
Новые отрывки из «Книги Мертвых» нашли в Египте
Таинственный отпечаток под землей удивил ученых. Ему больше 1 000 лет