Память нечеловеческая: почему мы забываем?

Память не ухудшается с возрастом, а пожилой человек запоминает информацию даже лучше молодого. Воспоминания могут храниться в мозге всю жизнь, но из-за обилия новых знаний доступ к ним затрудняется. Кроме того, если постоянно извлекать и оживлять старые воспоминания, не подкрепляя их сильной эмоциональной реакцией, они модифицируются или деформируются — именно поэтому, если часто прокручивать в голове какое-либо событие, можно потерять его важные детали или случайно придумать новые.

В лекции с фестиваля Pint of Science доктор биологических наук и член-корреспондент РАН Павел Балабан рассказывает, как устроена и где локализована память, можно ли её стереть, существует ли молекула, генерирующая запоминание, почему мы забываем и есть ли таблетка, которая поможет сохранять воспоминания?

Почему в названии упомянута «нечеловеческая память»? Потому что серьезные научные исследования делать на людях принципиально невозможно по многим причинам. Их можно делать только на животных.

Что такое память?

Память — способ адаптации любого организма, но адаптация обратимая. Главная особенность памяти заключается в том, что её можно повернуть вспять. Развитие организма — тоже адаптация, но вот его повернуть назад не получится.

Для того, чтобы продемонстрировать работу памяти, можно посмотреть на камуфляж осьминога — он легко меняет свой окрас в цвет рифа, на котором сидит, и за доли секунды становится невидимым.

На видео видно, как сложно обнаружить осьминога, если он решил спрятаться

Память — свойство нервной системы, которая состоит из нейронов, связанных между собой синаптическими контактами. Контакт представляет собой перерыв между нейронами, заполненный изолирующей жидкостью. Это химическая связь, изменение эффективности которой и есть память.

Большая часть связей между нейронами — химическая. Электрические контакты в мозге занимают меньше одного процента, тем не менее, человеческую память инженеры, математики, физики часто сравнивают с машинной, что в корне неверно. 

Мы можем проверить это с помощью простого эксперимента: назовите мне телефонный номер Наполеона Бонапарта. Каждый человек, окончивший среднюю школу улыбнётся и ответит, что в те времена не было телефонов — и ответ займёт секунды. Машина же, если она специально не обучена, для решения задачи будет перебирать все возможные варианты часами, днями или даже неделями, и в конце концов предложит нам телефон Наполеона Бонапарта, который сейчас проживает на Сицилии. И это будет совершенно другой человек. Это доказывает, что наш мозг и память работают на совершенно других принципах — и это самое интересное, что есть в науках о мозге на сегодняшний день.

Что можно считать единицой памяти?

Известный учёный Иван Петрович Павлов внёс в мировую науку одну очень важную вещь — объективизацию исследований. Он ушёл от психологии, когнитивности, и каждое движение и мысль пытался объективно измерить. 

По моему мнению квантом памяти необходимо считать все связи одного нейрона, его входы и все выходы, коих десятки тысяч. Как раз недавно появились сведения, что у позвоночных животных, у которых миллиард нейронов, сильные изменения даже в одном нейроне могут отразиться в поведении. 

Количество же вариантов связей между нервными клетками мозга человека больше, чем звезд в нашей Вселенной. Это означает, что информационная емкость мозга млекопитающего безгранична.

Как устроена память?

Для того чтобы понять, какова материальная основа памяти, проводили следующие эксперименты: по очереди отключали различные биохимические системы, ионные каналы и рецепторы в мозге. И что бы ни отключили, память всегда немного изменялась. Когда к 2000-м годам нейробиологи перебрали все возможные блокировки, то сошлись во мнении, что память — эмерджентное свойство нервной системы, то есть она присуща всей системе, но не присуща её частям.

Однако в 2006 году в Медицинском центре Бруклина сделали необычное открытие. Ранее при блокировке какой-либо системы или рецептора, кроме памяти в организме ломалось что-нибудь ещё, но исследовательская группа под руководством доктора Сактора выяснила, что существует только одна молекулярная система, которая больше ни на что не влияет — так называемая «молекула памяти» — фермент протеинкиназа М-зета‌. Это атипичная форма фермента, которая сидит как раз в контактах между нейронами и синтезируется прямо на месте контакта, хотя обычно синтез белков идёт в теле клетки, и там же происходит ее регуляция. Если М-зета убрать, то память нарушается.

Эксперименты, в которых это выяснилось, проводились на крысах. Через три месяца после однократного удара током, крысе ввели в нужное место нервной системы специфический блокатор, и когда сделали измерения, оказалось, что животное все забыло — то есть память пропала на 100%. При этом организм сохранил способность к обучению. Очень много экспериментов было сделано на животных, даже на улитках, и в результате нашлись гомологи этой системы. У всех существ эти молекулы синтезируются прямо в контактах нервной системы, то есть там, где и должна локализоваться память. Память можно сформировать за несколько часов, дней, и она хранится постоянно путем локального самовоспроизведения белковых молекул. 

Протеинкиназа М-зета остаётся критическим компонентом памяти, и является основой её стабильности — а память очень стабильна. 

Все условия, чтобы эта молекула, оказалась молекулой памяти были соблюдены. Однако мы знаем, что среднее время жизни белковой молекулы всего 3-5 дней.  То есть, если мы кодируем память с помощью белковых молекул, которые обновляются, мы можем хранить память днями, но никак не годами. Как же мы тогда помним, что случилось пять или десять лет назад? Выяснилось, что эти молекулы обладают уникальным свойством, характерным только для этой биохимической системы, — самовоспроизведением. Каждая вновь образованная молекула выстраивает новую молекулу себе на смену, локально поддерживая память. Сегодня это единственная биохимическая ферментная система, специфически связанная с памятью. 

Можно ли стереть память? 

Видеозапись лекции Павла Балабана с фестиваля Pint of Science

События в памяти хранятся сначала в кратковременной форме, а потом переходят в долговременную. Иногда нам кажется, что мы что-то забываем, но на самом деле это не так. Наши воспоминания, к которым мы не обращаемся, хранятся как раз в долговременной памяти и не забываются со временем, они просто становятся менее доступными из-за других событий. Мы всегда можем их извлечь.

На самом деле в нервной системе стирание памяти происходит каждый день, когда определённые нейроны изменяют связи между собой. Но это стирание касается только кратковременной памяти и извлечённых воспоминаний: когда мы активируем воспоминания, то память приходит в лабильное состояние и может изменяться. Так происходит потому что хранение памяти не зависит от синтеза белка, но активация памяти приводит к кратковременному периоду зависимости от синтеза нового белка. 

Эта точка зрения появилась в 1998–2000 годах. Учёные выяснили, что память меняется при реактивации. Если мы заблокируем синтез белка в этот момент, то на следующий день память не сохранится. Феномен назвали «повторная консолидация» или «реконсолидация памяти». 

Реконсолидация — очень интересный инструмент, отражающий возможность изменения. Но из-за чего стирается память? В каждом синапсе, где воспроизводится молекула протеинкиназа М-зета, синтезируется оксид азота — простейшая молекула, которая есть в каждой клетке в разных количествах. Выяснилось, что оксид азота синтезируется прямо в месте контакта нейронов и ему не нужно далеко транспортироваться. Молекула представляет собой свободный радикал со свободным электроном, который присоединяется ко всему, что находится рядом, захватывает любые белки и меняет их форму. Изменение памяти, по-видимому, происходит у нас с вами каждый день при каких-то воспоминаниях с участием оксида азота, из-за которого белок выбывает из физиологической функции. Он как ластик, который стирает память.

Почему мы забываем? 

Оказывается, на формирование памяти влияют гормоны. Откладывание в долговременную память, которая хранится годами, происходит только с участием «гормонов подкрепления» — серотонина, дофамина и других. Их выделяет особый нейрон во время контактов других нейронов, а изменение этих контактов происходит быстро — за секунды или минуты. 

Суть проведенных экспериментов заключается в том, что если мы заблокируем подачу гормона при формировании памяти, что можно сделать технически, то она не сохранится. Когда она уже сформирована, а мы заблокировали подачу гормона, память остается на месте. Если мы извлекаем, активируем какую-то память, но при этом не будут выделяться подкрепляющие гормоны, то память начнёт ослабевать, и в следующий раз вы не вспомните каких-нибудь деталей. Мы забываем, когда многократно активируем память без участия подкрепляющих гормонов, а они обычно выделяются при сильных эмоциональных реакциях, как положительных, так и отрицательных. Речь идет о конкретной памяти. Эмоциональная и обстановочная память хранится лучше.

Бытует миф, что с возрастом память становится хуже, к ней затрудняется доступ. На самом деле, если мы к ней не обращаемся, то она сохраняется. Но если мы к ней обращаемся постоянно и в этом не участвуют подкрепляющие гормоны, то она модифицируется. В 2018 году  была опубликована работа, в которой проанализировали память двух групп людей — 20-40 лет и 60-80 лет. Оказалось, что старшая группа запоминает немного лучше, что объяснялось большим опытом. Ученые же, напротив, ожидали разницу в качестве, скорости или количестве воспоминаний. 

Эпигенетическая регуляция

Упомянутая выше информация — данные десятилетней давности. Мы привыкли к тому, что у человека есть генетическая память — она дана нам от родителей, зашифрована в ДНК и неизменна. Генетические изменения необратимы и приводят к болезням и патологиям, разрушительно влияя на организм.

Однако в геноме человека есть ещё один вид информации — эпигенетический. Эпигенетические изменения не затрагивают ДНК и обратимы. Исследователи показывают, что с помощью эпигенетической регуляции можно изменять состояние всей клетки и организма в целом, а значит и памяти. Последние исследования подтверждают, что эпигенетические регуляторы — чрезвычайно простые вещества, которые присутствуют даже в пище. 

Эпигенетическая регуляция работает как регулятор генетического аппарата, когда мы запоминаем и учимся, он отвечает за то, с какой эффективностью будут работать те или иные гены. Есть простые эксперименты на животных с участием  эпигенетического регулятора бутирата натрия — простейшей жирной кислоты, которая синтезируется бактериями даже у нас в кишечнике. Если взять 100 любых животных и чему-то их учить, то 15% не будет обучаться ни в каких условиях, еще 15% учатся быстро, остальные — будут учиться в зависимости от условий. Как-то у нас в лаборатории оказались только плохообучаемые животные, оставшиеся после предыдущих экспериментов — других не было из-за нарушения поставок. Сотрудники вкололи им бутират натрия в очень большой дозе. На следующий день эта группа животных помнила все лучше, чем самые обучаемые особи. Уже после была взята группа с хорошо обучаемыми особями, которым ввели бутират натрия и протестировали на следующий день. У них улучшений не последовало. 

Природа позволила сделать улучшение плохого показателя, но обнаружила и предел. 

Весь этот процесс и есть эпигенетическая регуляция.  

Эпигенетические регуляторы открывают «окно» для долговременных изменений в экспрессии генов. А память — это и есть долговременные изменения в экспрессии генов. Временное течение формирования памяти, консолидация и реконсолидация регулируется активацией/инактивацией эпигенетических факторов. Ещё три года назад не было понимания этого, потому что считалось, что эпигенетические факторы слишком общие. И вот выяснилось, что тот же бутират натрия  регулирует менее 3% всех генов. У генов есть особые области, которые реагируют на эпигенетические регуляторы, и это далеко не все гены, а только связанные с пластичностью. 

Можно ли улучшить память?

Можно редактировать геном, но это очень опасно. Похоже, что будет мораторий на редактирование генома, так как отдалённые последствия этого человечеству неизвестны. А вот эпигеном можно редактировать — сейчас мы работаем над этим с помощью системы CRISPR-dCas9. Будущее медицины стоит за  эпигенетической коррекцией физиологических функций, таких как память, и нейропатологий с помощью современных технологий. 

Улучшить память можно медикаментозно, но у этого способа много побочных эффектов, поэтому нейрофизиологи его не любят, или с помощью постоянного напоминания, сопровождающегося сильными положительными или отрицательными эмоциями.

Иллюстрации: Александра Отхозория / «Дискурс»

Источник