Как работает память

Изучаем ли мы процессы регенерации (восстановления ткани в живых организмах), либо сложные поведенческие акты пчел или муравьев, строящих свои жилища, пытаемся ли вскрыть алгоритмы поведения обезьяны, нагромождающей ящики один на другой, чтобы уже с них дотянуться до банана — повсюду мы сталкиваемся с циклом процессов: восприятие информации, ее фиксация, хранение и воспроизведение. Этот комплекс процессов, позволяющий живым существам разбираться в событиях, происходящих во внешней среде, называется памятью. Существует большое количество различных определений памяти, но мы примем следующее не очень сложное и не очень запутанное определение, предложенное Ё. Н. Соколовым: система обладает памятью, если она содержит в себе некоторую информацию о сигнале после того, как сигнал перестал действовать.

Определить, обладает ли данная кибернетическая система памятью, мы можем, выяснив, способна ли она к узнаванию и воспроизведению. Память проявляется в узнавании и воспроизведении.

Узнавание образов — это то проявление памяти, которое обычно связано с восприятием. Говоря схематично, информация с рецепторов поступает по каналу в блок, где определяется степень ее новизны, — это блок сравнения только что воспринятой информации и информации, накопленной ранее! Узнавание и есть результат этого сравнения. Воспроизведение же может происходить вне процесса восприятия. Скрипач может наизусть сыграть знакомую ему пьесу; закрыв глаза, вы можете воспроизвести лицо знакомого вам человека, вид вашей комнаты.

Восприятие информации и ее фиксация — это условие ее сохранения в памяти, а узнавание и воспроизведение — это обнаружение того, что данная информация сохранилась в памяти.

Проблема изучения памяти, ее механизмов является сейчас одной из самых актуальных проблем в физиологии и кибернетике. В этом направлении проведено и проводится большое количество исследований. О некоторых из них мы и расскажем в этой статье. Учеными уже обнаружено, что, хотя и нет специфических отделов мозга, ответственных за процесс запоминания, определенные его области играют различную роль в этом сложном процессе.

Большое впечатление произвели в свое время опыты Лешли, обучавшего крыс сложной системе навыков. После того как крыса приобретала определенные навыки, у нее удаляли разные отделы мозга. Было замечено, что ухудшение памяти зависит от величины удаленного участка, а не от того, какой именно участок удален.

Однако другие ученые получили факты, которые указывают на специфическую роль некоторых отделов мозга в процессе запоминания. Так, например, Джаопер и Пепфилд показали, что в височной части больших полушарий коры головного мозга человека находятся отделы, раздражение которых электрическим током вызывает у людей определенные воспоминания.

Очень интересны опыты, в которых было доказано, что запоминание информации может проходить в одном из полушарий головного мозга. Эксперименты проводились следующим образом: перерезали пучок волокон, соединяющих оба полушария, а животных обучали через один рецептор при отключении другого (скажем, одного глаза). Если пучок волокон, соединяющих оба полушария, перерезали до обучения, то второе полушарие (с отключенным рецептором) не обучалось. Если же рассечение пучка производилось после обучения, то оба полушария были обучены.

Все эти эксперименты имеют огромный интерес, но, к сожалению, еще не вскрывают механизма фиксации информации в мозге. Нам же важно знать, как в нужный нам момент в огромной картотеке мозга происходит быстрая выборка необходимых сведений. Итак, проблему механизмов памяти можно определить как проблему получении информации, сохранения и воспроизведения ее на различных уровнях. Ведь память можно связать и с поведением человека в обществе, и с организацией нервной ткани (нервными сетями), и с функцией отдельного нейрона или живой протоплазмы, и, наконец, с молекулярными процессами.

Мы являемся свидетелями того, как наука о памяти в последние годы шагнула на молекулярный уровень исследования. Предпосылкой для этого явились новые кибернетические исследования, которые показали, что в сложных белковых молекулах может быть записано огромное количество информации (это связано с наличием множества вариантов структур молекулы). На основе теории информации можно подсчитать количество информации, которую способна хранить каждая молекула.

Эти теоретические выводы неожиданно были подтверждены опытом. У червей планарий вырабатывался оборонительный условный рефлекс, связанный с раздражением их электрическим током. После такого запоминания червей измельчали в ступке и полученной массой кормили необученных планарий. Оказалось, что после этого вторая группа червей «обучалась» — вырабатывала оборонительный рефлекс значительно быстрее, чем первая. Надо подчеркнуть, что черви измельчались очень тщательно и о сохранении каких-либо клеточных структур не могло быть и речи. Следовательно, передача информации от первой группы ко второй, видимо, происходила на молекулярном уровне.

Сейчас еще трудно судить о разумности исследований проблемы памяти на каком-то одном из перечисленных уровней. Здесь, вероятно, как и везде, необходимо учитывать взаимодействие процессов, протекающих на разных уровнях. Так, вполне возможно предположить, что информация, записанная на молекулярном уровне, хранится в системах глиальных клеток, находящихся между нейронными, а нервные сети принимают участие в классификации информации при ее запоминании и в процессах выборки и передачи информации.

В разработке проблемы памяти большое значение в настоящее время приобретает кибернетический аспект исследования. Работами Клини было показано, что сложные события могут быть запечатлены в определенных конструкциях элементов. Таким образом, возникает гипотеза о том, что запись информации может осуществляться в системах определенным образом соединенных клеток. Эти конструкции возникают в процессе обучения за счет формирования связей между клетками.

Эта гипотеза во многом совпадает с концепцией И. П. Павлова. В настоящее время ведутся работы по созданию теории ассоциативной памяти. Эта теория, оперируя понятиями абстрактных нейронов, пытается объяснить не только, как запоминается информация, но и как она отыскивается в нужное время.

Вот один из интересных примеров работ кибернетиков. Несколько лет назад группой Ю. Кушелева были начаты работы по изучению обучающихся матриц. Матрицы, иначе говоря, сетки, представляли собой сложную структуру, состоящую из большого числа «нервных клеток», между которыми могли образоваться новые связи. Принцип построения такой «нервной сети» должен был объяснить, как в головном мозге человека может отбираться, запоминаться и использоваться в нужное время информация, необходимая ему для формирования целесообразного поведения.

Конечно, при построении подобной матрицы были использованы только модели нервных клеток — роль нейронов выполняли в данном случае ферромагнитные и полупроводниковые реле. Но и с помощью таких «формальных нейронов» оказалось возможным проверить многие истины, характерные для нейронов настоящих.

Бесспорно, построение модели нервных сетей еще не решает вопроса о механизмах работы мозга. Но роль теории «нервных сетей» можно сравнить с ролью, которую играет, например, геометрия в строительстве мостов. Геометрия не дает, как известно, ни стали, ни бетона. Но тем не менее мост без учета ее законов построить невозможно.

Какие же представления о памяти сформировались в последнее время в науке? Теория «нервных сетей» рассматривает процесс запоминания как образование на матрице — на сети нейронов — каких-то новых структур. Эти структуры можно было бы иначе назвать «рисунком», «схемой», в которую объединяются нейроны в процессе запоминания. «Рисунок» каждой новой «мозаики» зависит от характера запоминаемой информации. «Рисунок» же обеспечивает надежную сохранность информации и возможность мгновенно отыскать и извлечь ее. Математически доказано, что почти все события и явления внешнего мира могут быть представлены и отражены в таких «схемах»-«рисунках». И главная задача исследователей состоит в том, чтобы выявить законы возникновения «мозаик» на сети нейронов, показать, какой «рисунок» из нейронов соответствует той или иной запоминаемой информации (образно говоря, доказать, что рисунки, например, в виде концентрических окружностей соответствуют такому-то виду информации, а звездообразные — такому-то…)

Существуют и другие точки зрения на эту проблему. Среди исследователей, скажем, довольно широко распространено мнение: строгой зависимости между «рисунком» и характером информации нет, что в основе памяти лежит не образование какой-либо определенной структуры нейронов, а работа систем нервных клеток, соединенных чисто случайным образом. По мнению этих исследователей, решающую роль в запоминании играет только общий, одинаковый для всех клеток принцип соединения и взаимодействия нейронов. Так, ученый А. Коган считает, что этот принцип вносит вероятностный характер.

Подобные взгляды находят подтверждение и в эксперименте. Инженер Варшавский разработал и создал модель такой «нервной сети», которая состоит из простых элементов — «нейронов», соединенных чисто случайным образом, Между отдельными нейронами в этой сети могут возникать новые связи. И вот оказалось, что такая модель тоже наделена памятью! Больше того, в процессе запоминания случайно соединенные элементы объединяются в определенную конструкцию, близкую к той, которую человек создал бы сам для этой цели.

Ученые полагают, что когда удастся создать более совершенные модели нейронов, чем нынешние, то в конструируемых из них системах возникнут еще более интересные качества, в частности более высокие способности к запоминанию.

Многие связанные с проблемой “изучения памяти, можно объяснить, если исходить из рассмотрения двух видов памяти: кратковременной — оперативной памяти — и долговременной — стабильной.

По предположению ученых, основой функционирования оперативной памяти является механизм циркуляции возбуждения по замкнутым кругам нейронов. Морфологическими работами одного из исследователей эта гипотеза была подтверждена: ученый обнаружил в нервной системе структуры, которые могли бы выполнять функцию кратковременной памяти. Однако математический расчет объема такой памяти, проведенный Дж. Нейманом, показал, что для подобного способа хранения информации необходимо большее число нервных клеток, чем то, которое имеется в нервной системе. Вывод: нельзя все свести к циркуляции возбуждения по нейронным кругам. Об этом же свидетельствует и факт обучения одноклеточных организмов, например, инфузорий, у которых о циркуляции возбуждения говорить не приходится.

Способность инфузории к обучению исследовал Смит. Он помещал туфельку в капилляр, настолько узкий, что туфелька с трудом могла повернуться в нем. Туфелька плавала по капилляру и, дойдя до стенки его, пыталась повернуться, чтобы плыть в обратном направлении. Поворот удавался ей лишь после долгих усилий и при сильной деформации всего тела. Сначала поворот длился около 4—5 минут; было отчетливо видно, что эта процедура давалась животному с большим трудом. Постепенно туфелька все легче и легче стала преодолевать трудность. В результате двенадцатичасовой тренировки туфелька научилась поворачиваться в капилляре за 1—2 секунды. Достижения очевидны: туфелька в 150 раз быстрее стала делать поворот.

Интересные эксперименты с инфузорией проделал Брамштедт. Его интересовал вопрос: запоминает ли инфузория форму сосуда, в котором она находится? Брамштедт поместил туфельку в цилиндрический сосуд и выдерживал ее там в течение двух часов. Вначале движения туфельки в сосуде были хаотичными, беспорядочными. Она кружила в сосуде, постоянно меняя направление и лишь изредка сталкиваясь со стенками сосуда. Но после двухчасового пребывания в цилиндрическом сосуде туфелька начинала скользить по стенке сосуда, описывая правильный круг.

Теперь исследователь поместил инфузорию в сосуд, имеющий форму трехгранной призмы (причем его основанием служил треугольник, который можно было бы вписать в основание первого сосуда — круг).

Выявилось характерное явление: туфелька, привыкшая к кругу, стала сталкиваться со стенками трехгранного сосуда в их средней части, в то время как до «обучения» в круглом сосуде она чаще сталкивалась со стенками в углах. По мнению автора, туфелька приспособилась к цилиндру и после перемещения в трехгранник сохранила приобретенный характер движения.

Брамштедт решил также выяснить, «запоминает» ли инфузория только форму сосуда или же она «помнит» и его размеры. Для этого он сначала обучал инфузорию в трехгранном сосуде и затем переносил ее в более просторный четырехгранный сосуд, основанием которого служил квадрат. Обучаемая продолжала двигаться внутри зоны, контуры которой приблизительно соответствовали треугольнику. Следовательно, у инфузории есть великолепные способности к обучению и запоминанию, как формы, так и размеров сосуда.

Мы привели эти данные лишь для того, чтобы проиллюстрировать наличие следовых реакций или «памяти» (конечно, не в обычном нашем представлении) у одноклеточных. Мы не будем затрагивать механизмов ее образования, не будем разбирать, можно ли вообще называть эти процессы обучением, запоминанием. Вопросы эти находятся в значительно ранней стадии изучения даже по отношению к тем же проблемам, но связанным с более высокоорганизованными животными.

В процессе обучения информация вначале фиксируется в замкнутых нейронных кругах в виде циркулирующего возбуждения. Это функционирует кратковременная, оперативная память. По истечении какого-то времени информация из оперативной памяти должна быть передана долговременной, стабильной памяти и закреплена, видимо, в белковых молекулах. Для подтверждения некоторых положении подобной схемы можно привлечь следующие экспериментальные данные.

Чтобы определить, действительно ли для перехода информации из блоков оперативной памяти в долговременную необходимо определенное время циркуляции возбуждения по цепям нейронов, были поставлены опыты с обучением. Было обнаружено, что электросудорожный шок способен ухудшить результаты обучения. Если эту процедуру проделать сразу же после завершения обучения, выученные навыки в значительной степени теряются. (При этом вероятность того, что животное может воспринять электрошок как наказание за свои поступки, отпадает, поскольку то же самое электрическое раздражение, приложенное в тех же самых условиях к лапам крыс, не вызывало дискредитации обучении.) Если же электрошок применить через один час после окончания обучения крыс, то шок не дает никакого эффекта: животные, получающие электрическое раздражение после такого перерыва, не отличались от контрольных, которых электричеством не раздражали.

Итак, можно предположить, что процесс фиксирования информации в блоках долговременной памяти крыс происходит за вполне определенное время. Сходные данные были получены и при применении депрессирующих лекарств. Было также обнаружено, что наркотическое состояние, вызываемое у золотых рыбок нагреванием, которое проводилось с разными интервалами после обучения, также вызывает потерю приобретенных навыков, и тем большую, чем ближе по времени процедура наркоза к обучению.

Но, как выяснилось, удается не только ухудшать запоминание, но также и улучшать его, чего, в общем, следовало бы ожидать, исходя из высказанной ранее гипотезы. Было выяснено, что применение как до, так и после обучения различных стимулирующих веществ, таких, как стрихнин и пиротоксин, увеличивает скорость запоминания. Существенно то, что запоминание может быть улучшено введением стимулянтов уже после обучения.

При рассмотрении механизма фиксации информации в долговременной памяти наибольший интерес, пожалуй, вызывает следующая гипотеза. Любая информация, воспринимаемая нашими органами чувств, сначала кодируется в виде серии импульсов различной частоты (подобно тому, как мы кодируем свою речь с помощью букв алфавита). Затем эти импульсы поступают в нервную клетку, нарушая устойчивость оснований, существующую в молекуле РНК.

В результате на участке, воспринимающем модулированную частоту импульсов, в молекуле РНК заменяется одно или несколько из четырех оснований. Таким образом, итогом первой серии возбуждений будет видоизменение РНК в нервной клетке, связанное с изменением последовательности оснований. Предполагается, что в дальнейшем новое распределение оснований РНК сохраняется. Поскольку последовательность оснований в РНК теперь изменена, то и белок, образующийся при участии этой РНК, тоже становится несколько иным — специфическим.

Если в дальнейшем органы чувств передадут в мозг ту же информацию, закодированную в виде той же серии импульсов, то эти импульсы, поступив в нейрон, активируют ранее образовавшийся специфический белок. Он освобождает вещество-передатчик, пропускающее данную информацию через определенную цепь нейронов. Причина того, что реагируют именно данный нейрон и все другие нейроны, принадлежащие к данной цепи, состоит в том, что белок, видоизменившийся однажды под действием модулированной частоты, отвечает теперь на электрические импульсы только одного определенного типа и при каждом их повторении. Иначе говоря, мозг вспоминает.

Число возможных перестановок в молекулах РНК при изменении последовательности оснований очень велико. Оно легко может обеспечить сохранение 1015 единиц информации — вероятное количество информации для человека на протяжении семидесяти лет активной деятельности. С течением времени статистически более вероятные перестановки в молекуле РНК постепенно исчерпываются, и для новых сочетаний запоминаемой информации остаются лишь менее вероятные перестановки.

Если бы данная цепь рассуждений была абсолютно достоверна, то можно было бы, исходя из этой гипотезы, объяснить характерные изменения способности к заучиванию и запоминанию у пожилых людей. Было подмечено, что расстройство памяти у пожилых людей чаще всего заключается в том, что они почти не запоминают и не помнят нового, в то время как давно прошедшие события, старые факты помнят хорошо.

В заключение хотелось бы остановиться еще на одной стороне дела. Вопрос о памяти тесно связан с проблемой зашиты от лишней информации. Нервные клетки, видимо, способны запоминать сведения с первого раза. Явления, которые мы обычно характеризуем словами «плохая память», «хорошая память», тесно связаны с работой специальных механизмов, защищающих мозг от ненужных, случайных сведений. У одних людей эти механизмы отличаются большей бдительностью, у других они более «либеральны». С этих позиций можно легко объяснить случаи с так называемой феноменальной памятью или примеры необычайного обострения памяти после некоторых болезней. Этим же объясняются также интересные опыты, проводящиеся в последнее время: обучение во сне (при неглубоком сне материал запоминается значительно быстрее, чем в обычном, бодрствующем состоянии), в состоянии полугипнотического сна некоторые механизмы, защищающие мозг от избыточной информации, оказываются выключенными, и поэтому обучение проходит быстрее.

По всей видимости, все люди обладали бы прекрасной памятью, если бы им не «мешали» особые защитные устройства мозга. Но механизмы защиты от информации имеют для нас огромное значение. Чем больше мы запоминаем информации, тем труднее отыскать в памяти нужные сведения, сложнее перекомбинировать и переработать ее. Конечно, человек, тратящий на обучение многие и многие годы, вправе сказать, что он не удовлетворен работой механизмов, данных ему природой. Он сам, мог бы разумнее регулировать процесс запоминания. К сожалению, не так-то легко отделаться от того, что «навязала» нам природа, даже если нам это и не нравится. Во всяком случае, исследования физиологов и кибернетиков показывают, что возможности направленного регулирования процесса запоминания неограниченны и в будущем наука решит эту проблему.

Мозг владеет определенными правилами переработки информации, которые обеспечивают отбор поступающей информации. Проводится много работ по изучению правил, определяющих наилучший процесс запоминания. Первые попытки изучения памяти в этом направлении были сделаны Эбингаузом. Он использовал методику заучивания человеком бессмысленных слогов. Аналогичный метод и сейчас еще используется в психиатрической клинике для выявления тех или иных расстройств памяти — это метод заданий на запоминание слов или цифр. Больному прочитывается 10 слов или называется 10 цифр, после чего отмечается, сколько и какие слова или цифры он запомнил после того, как его внимание было отвлечено на 1—2 минуты. Этим способом, оказывается, возможно изучить не только особенности памяти данного человека, но и проверить истощаемость внимания.

Эбингауз, рассматривая процент сбереженного материала как функцию времени, получил следующую зависимость: величина сбереженного материала обратно пропорциональна logt. Но неясно, что же измеряет кривая Эбингауза: фиксацию, считывание или сохранение следов?

Эбингауз на экспериментальном материале сумел также показать, что начало и конец заучиваемого материала запоминаются лучше, чем середина. Следовательно, в процессе обучения наряду с положительными связями образуются также и тормозные, влияющие на заучивание.

После Эбингауза над проблемой памяти работали и работают многие исследователи. Были вскрыты любопытные закономерности. Например, был получен интересный факт: первое воспроизведение материала сразу после его заучивания, как правило, менее полно, чем отсроченное. Это особенно хорошо знают школьники, заучивающие стихотворения наизусть: на следующий день стихотворение помнится обычно лучше.

Интересные правила обучения выявил в последнее время в опытах на голубях американский ученый Скинер. Он обнаружил, что для быстрого обучения необходимо разбивать заучиваемый материал по определенному принципу, вводя подкрепление после окончания каждого из этапов. Эти принципы оказались весьма эффективными и в школе. Возникло новое направление — программированное обучение. Учебники, написанные по этому методу, наиболее эффективны. По форме они разбиты на определенные куски, и обучаемый отсылается от одного куска к другому в зависимости от его успехов. Класс, занимающийся по программированному обучению, не соответствует нашему обычному представлению о школе. Все ученики занимаются по книгам или с обучающим автоматом. Учитель же только наблюдает за работой класса.

Разумеется, проблема памяти находится еще в процессе изучения. Сейчас существует большое количество гипотез, фактов, которые, несомненно, в ближайшее время помогут продвинуться в изучении процессов обучения, сохранения и воспроизведения информации.

Авторы: А. Напалков, А. Туров.