Почему мыши не любят черемуху: как хранятся и передаются по наследству воспоминания
В технических устройствах, созданных человеком, вся информация (будь то текст, картинка, звук или видео) записана в виде двоичного кода — последовательности нулей и единиц. Когда-то для хранения данных использовались перфокарты (картонные пластинки с дырочками), потом бобины и кассеты с магнитной пленкой, дискеты, CD. Сегодня — в основном жесткие диски и флеш-накопители. Информация инвариантна относительно своего носителя, ее в принципе можно записать на чем угодно. Необходимо лишь наличие у субстрата двух свойств — способности сохранения и воспроизведения. А вот уже для преобразования информации возникает третье требование — возможность ее изменения.
Считается, что в биологических организмах за хранение и обработку данных отвечает нервная система, функциональным элементом которой является нейрон. Нейрон по своей сути — это реле, которое пропускает или не пропускает сигнал — он может находиться только в двух состояниях: возбужденном или невозбужденном (все те же 0 или 1). Однако на этом, пожалуй, сходство между хранением информации в нервной системе и технических устройствах заканчивается. В классических компьютерах на наших столах, созданных по архитектуре Макса фон Неймана, блок хранения данных отделен от процессора — это два разных устройства. В биологических системах память интегрирована, отличается высокой устойчивостью к повреждающим действиям, децентрализацией, целостностью, континуальностью и ассоциативностью.
Возможно, именно ассоциативность мышления людей, поиски аналогий в работе вычислительных машин и центральной нервной системы не позволяют до сих пор понять природу памяти и вскрыть нейронные коды мозга. Ярким примером того, как сильны аналогии в научно-технических разработках, было создание одного из первых паровозов, который передвигался по рельсам с помощью «ног». Инженеры реализовали в машине знакомый им принцип передвижения в пространстве живых существ.
В поисках субстрата памяти в мозге
В нервной системе человека содержится порядка 100 млрд нейронов, которые обмениваются сигналами через межклеточные соединения — синапсы. Каждый нейрон может быть связан с десятками тысяч других нейронов, причем контакты между ними появляются и исчезают, ослабевают или усиливаются. Одним из первых, кто предложил объяснение сохранения информации в такой системе, был известный нейрофизиолог Рафаэль Лоренто де Но. Согласно теории ревербации (постепенное затухание нервного импульса в процессе его «отражения» по нейронам. — Forbes Life), импульсы, испускаемые нейроном, возвращаются к нему через обратную петлю, сформированную его отростками. Формируются реверберирующие круги возбуждения различной сложности. Де Но назвал их «нейронными ловушками» и считал субстратами памяти.
В 1940-х годах канадский психолог Дональд Хебб предположил, что в краткосрочной перспективе информация сохраняется в многократной циркуляции возбуждения по замкнутым петлям между нейронами без их структурных изменений. При длительной циркуляции сигналов происходят уже соответствующие морфологические и биохимические изменения в контактах между нейронами — синапсах. В этом случае возникает долговременная память. Правило Хебба гласит: между нейронами, которые разряжаются одновременно, возникают прочные связи. Организовываются клеточные ансамбли, хранящие информацию в мозаике нейронных импульсов.
Соответственно, ведущую роль в формировании памяти играют именно синапсы. Изменение их структуры — усиление или ослабление с течением времени (нейропластичность) обеспечивает возможность проведения сигнала и дальнейшее формирование энграммы — следа памяти. Энграмма памяти — это устойчивые физические или химические изменения, которые происходят в мозговых сетях при фиксации информации.
На вопрос, как определенные нейроны оказываются хранителями конкретной информации, попытались ответить ученые из Стэнфордского университета. Они изучали появление в коре головного мозга клеток, ответственных за двигательную память, которую выбрали неслучайно — эта память является очень яркой и стабильной. Действительно, научившись кататься на коньках или велосипеде, человек сохраняет умение на всю жизнь. В эксперименте мыши, чтобы получить корм, выполняли последовательность действий, активируя множество нейронов. Однако клетками памяти становились только те, которые активировались позднее, когда нужно было повторить действия. На поверхности этих нейронов образовывались новые связи, в том числе между моторной корой и стриатумом, что позволило ученым впервые увидеть, как на уровне отдельных нейронов возникает память в этих областях мозга.
Отличия биологической памяти от машинной
Нобелевский лауреат Судзуми Тонегава с коллегами из MIT провели эксперимент, картируя 247 областей мозга. Исследования на мышах показали, что 117 зон участвуют в формировании воспоминаний. Помимо известных областей — гиппокампа, коры и миндалевидного тела, отвечающих за память и эмоции, энграммы формируются также в таламусе, среднем мозге и стволе, регулирующих жизненные функции. Это открытие стало сюрпризом, так как ранее не предполагалось, что эти области участвуют в запоминании. Интересно, что воспоминание становилось ярче, когда активировались клетки памяти в нескольких зонах, что позволяет сохранить память в более надежной и многогранной форме.
Такое свойство, как целостность памяти в биологических системах, подтверждает исследование, проведенное той же научной группой из Массачусетского технологического института. Ранее считалось, что воспоминания формируются в гиппокампе (это структура кратковременной памяти), а затем перемещаются в кору для долгосрочного хранения. По аналогии с компьютером, где оперативная память и жесткий диск — два разных устройства, работающих по разному принципу. На самом деле оказалось, что энграммы начинают одновременно формироваться и в гиппокампе, и в коре. В первые две недели активны только нейроны гиппокампа, тогда как энграммные клетки коры остаются «молчащими». Со временем, при поддержке клеток гиппокампа, нейроны префронтальной коры становятся функционально зрелыми, и спустя две недели память переходит на хранение в коре головного мозга, а гиппокамп теряет свою активность.
Еще одним отличием от статичной записи в электронных устройствах служит активность энграмм и их способность конкурировать между собой. Команда исследователей из Университета Торонто установила, что если два события происходили в течение 6 часов, то для их запоминания использовалась одна и та же группа нейронов. Однако, когда события были разделены 24 часами, формировались отдельные следы памяти. Нейронная сеть разделяет или интегрирует воспоминания в зависимости от временного интервала между событиями, эффективно оптимизируя данные и предотвращая перегрузку «нейрокомпьютера».
Память вне мозга и генетическая память
Сложившаяся концепция сохранения информации в синаптических соединениях вроде бы поставила некую промежуточную точку в понимании механизмов памяти. Наконец-то стал понятен субстрат — носитель памяти. Однако данные, полученные командой Дэвида Гланцмана из Калифорнийского университета, пошатнули сформированный годами фундамент мнемонических догм. В экспериментах на морском моллюске аплизии ученые пытались стереть память о событии, разрушая конкретные синапсы, появившиеся в процессе обучения. Оказалось, что сохранение воспоминаний не требует наличия этих межклеточных связей — синаптическое изменение является не механизмом хранения памяти, а его проявлением. На основании полученных результатов Гланцман предположил, что истинным местом записи воспоминаний являются ядра нейронов, и поставил новый эксперимент.
Исследователи обучили моллюска, извлекли РНК из нейронов сформировавшейся энграммы и ввели эту нуклеиновую кислоту другому моллюску. Аплизия, которую не обучали, приобрела навык. Ученые также обнаружили, что после обработки донорской РНК нейроны необученной аплизии активнее реагировали на внешние импульсы и эффективнее передавали сигнал другим нервным клеткам. Результаты этого эксперимента свидетельствуют о том, что память может передаваться через молекулы РНК. Эти новые данные согласуются с результатами, полученными в середине XX века шведским биохимиком Хольгером Хюденом. Еще в те годы он установил, что в процессе обучения концентрация РНК в нейронах подопытных животных заметно увеличивалась. Однако гипотеза Хюдена о том, что молекула РНК является нейрохимическим субстратом памяти, не нашла в то время поддержки в научных кругах.
Другим и более ярким примером научного консерватизма и нигилизма стала реакция нейробиологов на работы Джеймса Макконнелла. Проведя обучение, он разрезал плоских червей — планарий пополам и обнаружил, что после регенерации информацию о событии и выработанный условный рефлекс сохраняет не только головная, но и хвостовая половина червя, то есть та часть, где не было центральной нервной системы. Вдохновленный этим открытием, Макконнелл в 1960 году опубликовал и вторую работу, которая окончательно озадачила научное сообщество. Макконнелл скармливал измельченные кусочки обученных червей их необученным собратьям. И также наблюдал передачу навыка. Естественно, эти эффекты подверглись проверке другими учеными, но полученные данные были противоречивы по причине сложности точного воспроизведения условий эксперимента. И хотя результаты Макконнелла никогда не были полностью опровергнуты, его работы признали провалом, а сам ученый подвергся остракизму и умер от сердечного приступа в возрасте 64 лет.
Только спустя полвека Майкл Левин, блестящий эволюционный биолог из Университета Тафтса, сумел воспроизвести эксперимент Макконнелла. Ему потребовалось четыре года и более 1 млн долларов для того, чтобы разработать строго документированный и воспроизводимый метод проведения эксперимента с использованием автоматического аппарата без вмешательства человека. Оказалось, действительно, обезглавленные планарии демонстрируют доказательства сохранения памяти после регенерации новой головы.
Умы человечества испокон веков интересовал вопрос, способна ли память передаваться по наследству? Можем ли мы помнить события и наследовать знания от наших предков? Долгое время эта проблема находилась в плоскости эзотерики и не объяснялась наукой. Пока в 2013 году Кэрри Ресслер и Брайан Диас, ученые из Университета Эмори, не опубликовали результаты своего интригующего эксперимента и, по сути, впервые получили доказательство генетической памяти.
Исследователи выработали у самцов мышей страх перед запахом ацетофенона (так пахнет черемуха), который активирует обонятельный рецептор Olfr151 — почувствовав этот запах, животные вздрагивали и убегали. Родившееся от обученных мышей потомство реагировало на запах черемухи так же, как и их родители. Схожий ответ на ацетофенон наблюдался и у внуков животных. Для того чтобы исключить фактор воспитания и подтвердить передачу навыка по наследству, Ресслер и Диас подсадили эмбрионы детенышей суррогатным матерям. Родившиеся мыши точно так же реагировали на запах. Эти реакции сопровождались соответствующими изменениями в обонятельных структурах мозга. У мышей, чувствительных к аромату черемухи, а также у их потомков было больше нейронов, вырабатывающих рецепторный белок, ответственный за распознавание запаха ацетофенона. Ученые также обнаружили гипометилирование в гене Olfr151 в сперматозоидах, то есть доказали, что эпигенетические изменения передаются по наследству.
Наследование воспоминаний удалось установить и у людей. Дети, чьи матери подверглись длительному стрессу, имели эпигенетические изменения в сочетании с более низким уровнем тревожности. Таким образом, наблюдается не только передача информации через генетический аппарат, но и запуск адаптационных реакций у потомства в ответ на родительский травмирующий опыт. В другом исследовании было выявлено наследственное изменение в экспрессии генов иммунной системы, а также продукции гормонов стресса, которые также влияют на иммунитет. Ученые полагают, что в их основе лежит механизм материнского программирования развития ребенка.
На пути к пониманию мнемонических механизмов
Нейронные сети не единственные, кто может хранить информацию — и другие ткани организма тоже способны «запоминать». Например, кости могут не только иметь структуру, похожую на нейронные сети, но и выполнять похожие функции. Исследования ученых из Университета Айовы и Северо-восточного университета в Чикаго показали, что сердце может «запоминать» изменения в ритме пульса. В поджелудочной железе клетки синхронизируют электрические сигналы, чтобы правильно регулировать выработку инсулина. На еще более мелком уровне память может храниться в структурах внутри клеток, а также в химических реакциях, которые происходят в организме и контролируются самими клетками.
Наличие памяти на разных уровнях биологической структуры живых организмов предполагает ее фрактальную организацию — обладание свойствами самоподобия в различных масштабах. (Это значит, что если мы увеличим (или уменьшим) часть этой структуры, то будем наблюдать похожие, а порой даже идентичные паттерны независимо от того, на каком уровне масштаба мы находимся. — Forbes Life.) Память, вероятно, устроена таким образом, что ее структура повторяется на разных уровнях, начиная от нейронных связей в мозге до более высоких когнитивных процессов. Поскольку фракталы возникают из простых повторяющихся шаблонов и бесконечно воспроизводятся, самокопируя свою архитектуру, именно эти конструкции могут обеспечивать механизмы хранения, воспроизведения и обработки информации.
Фрактальный принцип организации информационных сетей помогает им самоорганизовываться. Это означает, что существует универсальный механизм хранения данных, который работает даже в условиях хаоса и постоянных изменений, свойственных биологическим системам. В одном из экспериментов моделировали процесс сохранения информации в сети, элементы которой, подобно нейронам, могут находиться в двух состояниях — возбужденном и невозбужденном, и имеют случайный характер связи друг с другом. Связи между элементами сети были случайными. В ходе эксперимента изображение сначала распадалось на случайную мозаику активности элементов, но затем переходило в набор устойчивых состояний и в итоге сохранялось — так происходил процесс запоминания.
Механизмы хранения, воспроизведения и обработки информации настолько сложны, что научные исследования в основном сосредоточены на том, какие процессы происходят в клетках мозга при формировании энграмм — следов памяти. Исследователи надеются, что эти знания помогут создать полное понимание того, как работают эти процессы. Однако важно отметить, что изучение изменений в мозге и определение того, как именно кодируется память и где она хранится — это две разные задачи. В будущем мы, возможно, сможем раскрыть механизмы запоминания и расшифровать коды мозга. Это откроет возможности для прогресса в науке и медицине и станет важным шагом к созданию полноценного искусственного интеллекта.