Як працює пам’ять
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Чи вивчаємо ми процеси регенерації (відновлення тканини в живих організмах), або складні поведінкові акти бджіл або мурах, які будують свої житла, чи намагаємося розкрити алгоритми поведінки мавпи, яка нагромаджує ящики один на інший, щоб вже з них дотягнутися до банана – всюди ми стикаємося з циклом процесів: сприйняття інформації, її фіксації, збереження і відтворення. Цей комплекс процесів, що дозволяє живим істотам розбиратися в подіях, що відбуваються у зовнішньому середовищі, називається пам’яттю. Існує велика кількість різних визначень пам’яті, але ми приймемо таке не дуже складне і не дуже заплутане визначення, запропоноване Е. Н. Соколовим: система має пам’ять, якщо вона містить в собі деяку інформацію про сигнал після того, як сигнал перестав діяти.
Визначити, чи володіє дана кібернетична система пам’яттю, ми можемо, з’ясувавши, чи здатна вона до впізнавання і відтворення. Пам’ять проявляється у впізнаванні і відтворенні.
Впізнавання образів – це той прояв пам’яті, який зазвичай пов’язаний зі сприйняттям. Говорячи схематично, інформація з рецепторів надходить по каналу в блок, де визначається ступінь її новизни, – це блок порівняння тільки що сприйнятої інформації та інформації, накопиченої раніше! Впізнавання і є результат цього порівняння. Відтворення ж може відбуватися поза процесом сприйняття. Скрипаль може напам’ять зіграти знайому йому п’єсу; закривши очі, ви можете відтворити обличчя знайомої вам людини, вид вашої кімнати.
Сприйняття інформації та її фіксація – це умова її збереження в пам’яті, а впізнавання і відтворення – це виявлення того, що дана інформація збереглася в пам’яті.
Проблема вивчення пам’яті, її механізмів є зараз однією з найактуальніших проблем у фізіології і кібернетиці. В цьому напрямку проведено і проводиться велика кількість досліджень. Про деякі з них ми і розповімо в цій статті. Вченими вже виявлено, що, хоча і немає специфічних відділів мозку, відповідальних за процес запам’ятовування, певні його області грають різну роль у цьому складному процесі.
Велике враження справили свого часу досліди Лешлі, що навчався щурів складній системі навичок. Після того як щур набував певні навички, у нього видаляли різні відділи мозку. Було відмічено, що погіршення пам’яті залежить від величини видаленої ділянки, а не від того, яка саме ділянка видалялась.
Однак інші вчені отримали факти, які вказують на специфічну роль деяких відділів мозку в процесі запам’ятовування. Так, наприклад, Джаопер і Пепфілд показали, що в скроневій частині великих півкуль кори головного мозку людини знаходяться відділи, роздратування яких електричним струмом викликає у людей певні спогади.
Дуже цікаві досліди, в яких було доведено, що запам’ятовування інформації може проходити в одному з півкуль головного мозку. Експерименти проводилися наступним чином: перерізали пучок волокон, що з’єднують обидві півкулі, а тварин навчали через один рецептор при відключенні іншого (скажімо, одного ока). Якщо пучок волокон, що з’єднують обидві півкулі, перерізали до навчання, то друга півкуля (з відключеним рецептором) не піддається навчанню. Якщо ж розсічення пучка вироблялося після навчання, то обидві півкулі були навчені.
Всі ці експерименти мають величезний інтерес, але, на жаль, ще не розкривають механізму фіксації інформації у мозку. Нам же важливо знати, як в потрібний нам момент у величезній картотеці мозку відбувається швидка вибірка необхідних відомостей. Отже, проблему механізмів пам’яті можна визначити як проблему отримання інформації, збереження і відтворення її на різних рівнях. Адже пам’ять можна зв’язати і з поведінкою людини в суспільстві, і з організацією нервової тканини (нервовими мережами), і з функцією окремого нейрона або живої протоплазми, і, нарешті, з молекулярними процесами.
Ми є свідками того, як наука про пам’ять в останні роки зробила крок на молекулярний рівень дослідження. Передумовою для цього стали нові кібернетичні дослідження, які показали, що в складних білкових молекулах може бути записано величезна кількість інформації (це пов’язано з наявністю безлічі варіантів структур молекули). На основі теорії інформації можна підрахувати кількість інформації, яку здатна зберігати кожна молекула.
Ці теоретичні висновки несподівано були підтверджені дослідом. У хробаків планарій вироблявся оборонний умовний рефлекс, пов’язаний з подразненням їх електричним струмом. Після такого запам’ятовування черв’яків подрібнювали в ступці і отриманою масою годували ненавчених планарій. Виявилося, що після цього друга група черв’яків «навчалася» – виробляла оборонний рефлекс значно швидше, ніж перша. Треба підкреслити, що черв’яки подрібнювалися дуже ретельно і про збереження будь-яких клітинних структур не могло бути й мови. Отже, передача інформації від першої групи до другої, мабуть, відбувалася на молекулярному рівні.
Зараз ще важко судити про розумність досліджень проблеми пам’яті на якомусь одному з перерахованих рівнів. Тут, ймовірно, як і всюди, необхідно враховувати взаємодію процесів, що протікають на різних рівнях. Так, цілком можливо припустити, що інформація, записана на молекулярному рівні, зберігається в системах гліальних клітин, що знаходяться між нейронними, а нервові мережі беруть участь в класифікації інформації при її запам’ятовуванні і в процесах вибірки і передачі інформації.
У розробці проблеми пам’яті велике значення в даний час набуває кібернетичний аспект дослідження. Роботами Кліні було показано, що складні події можуть бути відображені в певних конструкціях елементів. Таким чином, виникає гіпотеза про те, що запис інформації може здійснюватися в системах певним чином з’єднаних клітин. Ці конструкції виникають в процесі навчання за рахунок формування зв’язків між клітинами.
Ця гіпотеза в чомусь збігається з концепцією І. П. Павлова. В даний час ведуться роботи по створенню теорії асоціативної пам’яті. Ця теорія, оперуючи поняттями абстрактних нейронів, намагається пояснити не тільки, як запам’ятовується інформація, але і як вона відшукується в потрібний час.
Ось один з цікавих прикладів робіт кібернетиків. Кілька років тому групою Ю. Кушелева були розпочаті роботи по вивченню навчаючих матриць. Матриці, інакше кажучи, сітки, представляли собою складну структуру, що складається з великого числа «нервових клітин», між якими могли утворитися нові зв’язки. Принцип побудови такої «нервової мережі» повинен був пояснити, як у головному мозку людини може відбиратися, запам’ятовуватися і використовуватися в потрібний час інформація, необхідна їй для формування доцільної поведінки.
Звичайно, при побудові подібної матриці були використані тільки моделі нервових клітин – роль нейронів виконували в даному випадку феромагнітні і напівпровідникові реле. Але і за допомогою таких «формальних нейронів» виявилося можливим перевірити багато істин, характерних для нейронів справжніх.
Безперечно, побудова моделі нервових мереж ще не вирішує питання про механізми роботи мозку. Але роль теорії «нервових мереж» можна порівняти з роллю, яку відіграє, наприклад, геометрія в будівництві мостів. Геометрія не дає, як відомо, ні сталі, ні бетону. Але тим не менше міст без врахування її законів побудувати неможливо.
Які ж уявлення про пам’ять сформувалися останнім часом в науці? Теорія «нервових мереж» розглядає процес запам’ятовування як утворення на матриці – на мережі нейронів – якихось нових структур. Ці структури можна було б інакше назвати «малюнком», «схемою», в яку об’єднуються нейрони в процесі запам’ятовування. «Малюнок» кожної нової «мозаїки» залежить від характеру інформації, що запам’ятовується. «Малюнок» ж забезпечує надійне збереження інформації і можливість миттєво відшукати і витягти її. Математично доведено, що майже всі події і явища зовнішнього світу можуть бути представлені і відображені в таких «схемах» – «малюнках». І головне завдання дослідників полягає в тому, щоб виявити закони виникнення «мозаїк» на мережі нейронів, показати, який «малюнок» з нейронів відповідає тій чи іншій інформації, що запам’ятовується (образно кажучи, довести, що малюнки, наприклад, у вигляді концентричних кіл відповідають такому-то виду інформації, а зіркоподібні – такому-то…)
Існують і інші точки зору на цю проблему. Серед дослідників, скажімо, досить широко поширена думка: суворої залежності між «малюнком» і характером інформації немає, що в основі пам’яті лежить не утворення будь-якої певної структури нейронів, а робота систем нервових клітин, з’єднаних суто випадково. На думку цих дослідників, вирішальну роль в запам’ятовуванні грає тільки загальний, однаковий для всіх клітин принцип з’єднання і взаємодії нейронів. Так, вчений А. Коган вважає, що цей принцип вносить імовірнісний характер.
Подібні погляди знаходять підтвердження і в експерименті. Інженер Варшавський розробив і створив модель такої «нервової мережі», яка складається з простих елементів – «нейронів», з’єднаних суто випадково, Між окремими нейронами в цій мережі можуть виникати нові зв’язки. І ось виявилося, що така модель теж наділена пам’яттю! Більше того, в процесі запам’ятовування випадково поєднані елементи, що об’єднуються в певну конструкцію, близьку до тієї, яку людина створила б сама для цієї мети.
Вчені вважають, що коли вдасться створити досконаліші моделі нейронів, ніж нинішні, то в побудованих з них системах виникнуть ще більш цікаві якості, зокрема вищі здатності до запам’ятовування.
Багато пов’язаного з проблемою “вивчення пам’яті, можна пояснити, якщо виходити з розгляду двох видів пам’яті: короткочасної – оперативної пам’яті – і довгострокової – стабільної.
За припущенням вчених, основою функціонування оперативної пам’яті є механізм циркуляції збудження по замкнутим колам нейронів. Морфологічними роботами одного з дослідників ця гіпотеза була підтверджена: вчений виявив в нервовій системі структури, які могли б виконувати функцію короткочасної пам’яті. Однак математичний розрахунок обсягу такої пам’яті, проведений Дж. Нейманом, показав, що для подібного способу зберігання інформації необхідна більша кількість нервових клітин, ніж та, яка є в нервовій системі. Висновок: не можна все звести до циркуляції збудження по нейронним колам. Про це ж свідчить і факт навчання одноклітинних організмів, наприклад, інфузорій, у яких про циркуляцію збудження годі й казати.
Здатність інфузорії до навчання досліджував Сміт. Він поміщав туфельку в капіляр, настільки вузький, що туфелька з трудом могла повернутися в ньому. Туфелька плавала по капіляру і, дійшовши до стінки його, намагалася повернутися, щоб плисти в зворотному напрямку. Поворот вдавався їй лише після довгих зусиль і при сильній деформації всього тіла. Спочатку поворот тривав близько 4-5 хвилин; було чітко видно, що ця процедура давалася тварині з великими труднощами. Поступово туфелька все легше і легше стала долати труднощі. В результаті дванадцятигодинного тренування туфелька навчилася повертатися в капілярі за 1-2 секунди. Досягнення очевидні: туфелька в 150 разів швидше стала робити поворот.
Цікаві експерименти з інфузорією виконав Брамштедт. Його цікавило питання: чи запам’ятовує інфузорія форму судини, в якій вона знаходиться? Брамштедт помістив туфельку в циліндричну посудину і витримував її там протягом двох годин. Спочатку рухи туфельки в посудині були хаотичними, безладними. Вона кружляла в посудині, постійно змінюючи напрямок і лише зрідка стикаючись зі стінками посудини. Але після двогодинного перебування в циліндричній посудині туфелька починала ковзати по стінці судини, описуючи правильне коло.
Тепер дослідник помістив інфузорію в посудину, що має форму тригранної призми (причому його підставою служив трикутник, який можна було б вписати в основу першої судини – коло).
Виявилося характерне явище: туфелька, яка звикла до кола, стала стикатися зі стінками тригранної судини в їх середній частині, в той час як до «навчання» в круглому посуді вона частіше стикалася зі стінками в кутах. На думку автора, туфелька пристосувалася до циліндра і після переміщення в тригранник зберегла придбаний характер руху.
Брамштедт вирішив також з’ясувати, чи «запам’ятовує» інфузорія тільки форму судини або ж вона «пам’ятає» і її розміри. Для цього він спочатку навчав інфузорію у трьохгранній посудині і потім переносив її в більш простору чотиригранну посудину, підставою якої служив квадрат. «Учениця» продовжувала рухатися всередині зони, контури якої приблизно відповідали трикутнику. Отже, у інфузорії є чудові здібності до навчання і запам’ятовування, як форми, так і розмірів судини.
Ми привели ці дані лише для того, щоб проілюструвати наявність слідів реакцій або «пам’яті» (звичайно, не в звичайному нашому уявленні) у одноклітинних. Ми не будемо торкатися механізмів її утворення, не будемо розбирати, чи можна взагалі називати ці процеси навчанням, запам’ятовуванням. Питання ці знаходяться в значно ранній стадії вивчення навіть по відношенню до тих же проблем, але пов’язаним з більш високоорганізованими тваринами.
У процесі навчання інформація спочатку фіксується в замкнутих нейронних колах у вигляді циркулюючого збудження. Це функціонує короткочасна, оперативна пам’ять. Після закінчення якогось часу інформація з оперативної пам’яті повинна бути передана довготривалій, стабільній пам’яті і закріплена, мабуть, в білкових молекулах. Для підтвердження деяких положень подібної схеми можна залучити такі експериментальні дані.
Щоб визначити, чи дійсно для переходу інформації з блоків оперативної пам’яті в довготривалу необхідний певний час циркуляції збудження по ланцюгах нейронів, були поставлені досліди з навчанням. Було виявлено, що електросудомний шок здатний погіршити результати навчання. Якщо цю процедуру виконати відразу ж після завершення навчання, вивчені навички в значній мірі втрачаються. (При цьому ймовірність того, що тварина може сприйняти електрошок як покарання за свої вчинки, відпадає, оскільки те ж саме електричне роздратування, прикладене в тих же самих умовах до лап щурів, не викликало дискредитації навчання.) Якщо ж електрошок застосувати через одну годину після закінчення навчання щурів, то шок не дає ніякого ефекту: тварини, які отримують електричне роздратування після такої перерви, не відрізнялися від контрольних, яких електрикою не дратували.
Отже, можна припустити, що процес фіксування інформації в блоках довготривалої пам’яті щурів відбувається за цілком певний час. Подібні дані були отримані і при застосуванні депрессуючих ліків. Було також виявлено, що наркотичний стан, що викликається у золотих рибок нагріванням, яке проводилося з різними інтервалами після навчання, також викликає втрату придбаних навичок, і тим більшу, чим ближче за часом процедура наркозу до навчання.
Але, як з’ясувалося, вдається не тільки погіршувати запам’ятовування, але також і покращувати його, чого, загалом, слід було б очікувати, виходячи з висловленої раніше гіпотези. Було з’ясовано, що застосування як до, так і після навчання різних стимулюючих речовин, таких, як стрихнін і піротоксін, збільшує швидкість запам’ятовування. Важливо не тільки те, що запам’ятовування може бути покращено введенням стимулянтів вже після навчання.
При розгляді механізму фіксації інформації в довготривалій пам’яті найбільший інтерес, мабуть, викликає наступна гіпотеза. Будь-яка інформація, що сприймається нашими органами чуття, спочатку кодується у вигляді серії імпульсів різної частоти (подібно до того, як ми кодуємо свою промову з допомогою букв алфавіту). Потім ці імпульси надходять в нервову клітину, порушуючи стійкість підстав, існуючих в молекулі РНК.
В результаті на ділянці, що сприймає модульовану частоту імпульсів, в молекулі РНК замінюється одна або декілька з чотирьох підстав. Таким чином, підсумком першої серії збуджень буде видозміна РНК в нервовій клітині, пов’язана зі зміною послідовності підстав. Передбачається, що в подальшому новий розподіл підстав РНК зберігається. Оскільки послідовність підстав в РНК тепер змінена, то і білок, що утворюється за участю цієї РНК, теж стає трохи іншим – специфічним.
Якщо в подальшому органи чуття передадуть в мозок ту ж інформацію, закодовану у вигляді тієї ж серії імпульсів, то ці імпульси, вступивши до нейрону, активують раніше утворений специфічний білок. Він звільняє речовину-передавач, пропускає цю інформацію через певний ланцюг нейронів. Причина того, що реагує саме даний нейрон і всі інші нейрони, що належать до даного ланцюга, полягає в тому, що білок, видозмінився одного разу під дією модульованої частоти, відповідає тепер на електричні імпульси тільки одного певного типу і при кожному їх повторенні. Інакше кажучи, мозок згадує.
Число можливих перестановок в молекулах РНК при зміні послідовності підстав дуже велике. Воно легко може забезпечити збереження 1015 одиниць інформації – можливу кількість інформації для людини протягом сімдесяти років активної діяльності. З плином часу статистично більш ймовірні перестановки в молекулі РНК поступово вичерпуються, і для нових поєднань запам’ятовувати інформацію залишаються лише менш ймовірні перестановки.
Якби даний ланцюг міркувань був абсолютно достовірний, то можна було б, виходячи з цієї гіпотези, пояснити характерні зміни здатності до заучування і запам’ятовування у літніх людей. Було помічено, що розлад пам’яті у літніх людей найчастіше полягає в тому, що вони майже не запам’ятовують і не пам’ятають нового, в той час як давно минулі події, старі факти пам’ятають добре.
На закінчення хотілося б зупинитися ще на одному боці справи. Питання про пам’ять тісно пов’язане з проблемою захисту від зайвої інформації. Нервові клітини, мабуть, здатні запам’ятовувати відомості з першого разу. Явища, які ми зазвичай характеризуємо словами «погана пам’ять», «хороша пам’ять», тісно пов’язані з роботою спеціальних механізмів, що захищають мозок від непотрібних, випадкових відомостей. У одних людей ці механізми відрізняються більшою пильністю, у інших вони більш «ліберальні». З цих позицій можна легко пояснити випадки з так званою феноменальною пам’яттю або приклади надзвичайного загострення пам’яті після деяких хвороб. Цим же пояснюються також цікаві досліди, що проводяться останнім часом: навчання уві сні (при неглибокому сні матеріал запам’ятовується значно швидше, ніж в звичайному, бадьорому стані), в стані напівгіпнотичного сну деякі механізми, що захищають мозок від надлишкової інформації, виявляються виключеними, і тому навчання проходить швидше.
По всій видимості, всі люди володіли б чудовою пам’яттю, якби їм не «заважали» особливі захисні пристрої мозку. Але механізми захисту від інформації мають для нас величезне значення. Чим більше ми запам’ятовуємо інформації, тим важче відшукати в пам’яті потрібні відомості, складніше перекомбінувати і переробити її. Звичайно, людина, яка витрачає на навчання багато і багато років, має право сказати, що вона не задоволена роботою механізмів, даних їй природою. Вона сама, могла би розумніше регулювати процес запам’ятовування. На жаль, не так-то легко позбутися того, що «нав’язала» нам природа, навіть якщо нам це і не подобається. У всякому разі, дослідження фізіологів і кібернетиків показують, що можливості спрямованого регулювання процесу запам’ятовування необмежені і в майбутньому наука вирішить цю проблему.
Мозок володіє певними правилами переробки інформації, які забезпечують відбір інформації, що надходить. Проводиться багато робіт з вивчення правил, що визначають найкращий процес запам’ятовування. Перші спроби вивчення пам’яті в цьому напрямку були зроблені Ебінгаузом. Він використовував методику заучування людиною безглуздих складів. Аналогічний метод і зараз ще використовується в психіатричній клініці для виявлення тих чи інших розладів пам’яті – це метод завдань на запам’ятовування слів або цифр. Хворому прочитується 10 слів або називається 10 цифр, після чого відзначається, скільки і які слова або цифри він запам’ятав після того, як його увага була відвернена на 1-2 хвилини. Цим способом, виявляється, можливо вивчити не тільки особливості пам’яті даної людини, а й перевірити виснаженість уваги.
Ебінгауз, розглядаючи відсоток заощадженого матеріалу як функцію часу, отримав наступну залежність: величина заощадженого матеріалу обернено пропорційна logt. Але неясно, що ж вимірює крива Ебінгауза: фіксацію, зчитування або збереження слідів?
Ебінгауз на експериментальному матеріалі зумів також показати, що початок і кінець завченого матеріалу запам’ятовуються краще, ніж середина. Отже, в процесі навчання поряд з позитивними зв’язками утворюються також і гальмівні, що впливають на заучування.
Після Ебінгауза над проблемою пам’яті працювали і працюють багато дослідників. Були розкриті цікаві закономірності. Наприклад, був отриманий цікавий факт: перше відтворення матеріалу відразу після його заучування, як правило, менш повно, ніж відстрочене. Особливо гостро це знають школярі, що заучують вірші напам’ять: на наступний день вірш пам’ятається зазвичай краще.
Цікаві правила навчання виявив останнім часом в дослідах на голубах американський вчений Скінер. Він виявив, що для швидкого навчання необхідно розбивати заучуваний матеріал за певним принципом, вводячи підкріплення після закінчення кожного з етапів. Ці принципи виявилися вельми ефективними і в школі. Виник новий напрям – програмоване навчання. Підручники, написані за цим методом, найбільш ефективні. За формою вони розбиті на певні шматки, і той, якого навчають відсилається від одного шматка до іншого в залежності від його успіхів. Клас, що займається по програмованому навчанню, не відповідає нашому звичайному уявленню про школу. Всі учні займаються по книгам або з навчальним автоматом. Вчитель же тільки спостерігає за роботою класу.
Зрозуміло, проблема пам’яті знаходиться ще в процесі вивчення. Зараз існує велика кількість гіпотез, фактів, які, безсумнівно, найближчим часом допоможуть просунутися у вивченні процесів навчання, збереження і відтворення інформації.
Автори: А. Напалков, А. Туров.