Коннектом. Как мозг делает нас тем, что мы есть - Себастьян Сеунг

Иными словами, появление новых синапсов – «глупый», случайный процесс, дающий мозгу лишь потенциал для обучения. Сам по себе этот процесс еще не является обучением, вопреки неофренологической теории, о которой упоминалось выше. Вот почему лекарство, способствующее образованию синапсов, может оказаться неэффективным для улучшения памяти, если мозг не будет при этом сам убирать большое количество ненужных синапсов.

Но всё же нейронный дарвинизм – теория умозрительная. Самые масштабные исследования исчезновения синапсов провел Джефф Лихтман. Он исследовал главным образом синапсы, осуществляющие связь, направленную от нервов к мышцам. На ранних стадиях процесса возникающие связи кажутся беспорядочными и неизбирательными, поскольку каждое мышечное волокно получает синапсы от множества аксонов. Однако со временем ненужные синапсы исчезают, и в конце концов каждое волокно получает синапсы лишь от одного аксона. В данном случае самоуничтожение синапсов улучшает связанность нейронов, делая их связи более избирательными. Лихтману, по вполне понятным причинам, захотелось подробнее рассмотреть это явление, и он стал активным пропагандистом новейших томографических технологий (к этой теме я вернусь в других главах).

На рис. 23, где показаны дендритные шипики, мы видели, что рекомбинацию связей можно изучать и на примере коры головного мозга. Ученые показали, что, когда подопытную мышь помещают в обогащенную среду (как в экспериментах Розенцвейга), большинство новых шипиков коры отмирают в течение нескольких дней, однако значительная их часть остается нетронутой. Оба наблюдения согласуются с концепцией «выживания наиболее приспособленных»: получается, что новые синапсы выживают, лишь если используются для хранения воспоминаний. Однако полученные доказательства пока не слишком убедительны. Коннектомике еще предстоит выявить конкретные условия, при которых новые синапсы выживают или исчезают.

* * *

Мы уже видели, что мозг может не сохранить воспоминания, если не существуют требуемые связи. А значит, изменение веса связей само по себе имеет лишь ограниченную «емкость» для накопления новой информации, если связи между нейронами фиксированны и редки. Согласно теории нейронного дарвинизма, мозг обходит эту проблему, случайным образом создавая новые синапсы, чтобы поддерживать на должном уровне свой потенциал обучения (или даже повышать его), при этом уничтожая те синапсы, которые не приносят пользы. ИСВ и рекомбинация связей не являются независимыми процессами: они влияют друг на друга. Новые синапсы обеспечивают материал для хеббовского усиления, а уничтожение синапсов происходит в том числе и из-за нарастающего ослабления соответствующих связей. Не только ИСВ, но и рекомбинация связей увеличивает информационную емкость.

Еще одно преимущество рекомбинации связей – в том, что она может стабилизировать воспоминания. Чтобы яснее понять идею такой стабилизации, давайте рассуждать шире. Выше я подчеркивал, что воспоминания сохраняются благодаря синапсам. Теперь же следует упомянуть, что существуют доказательства в пользу существования другого мнемонического механизма – основанного на пикообразовании. Предположим, Дженнифер Энистон представлена у вас в мозгу не одним нейроном, а целой группой, организованной в клеточный ансамбль. Как только стимул – образ Дженни – заставляет эти нейроны дать нервный импульс, они начинают возбуждать друг друга посредством синапсов. Сигналообразование в клеточном ансамбле – самоподдерживающийся процесс, он будет идти и после того, как стимул исчезнет. Испанский ученый Рафаэль Лоренте де Но назвал это явление «реверберацией активности» – по аналогии с эхом в каньоне или соборе, которое продолжает слышаться, даже когда уже смолк породивший его звук. Такое самоподдерживающееся образование импульсов объясняет, почему вы способны запомнить только что увиденный объект, который уже не находится перед вашими глазами.

Судя по многим экспериментам, подобное самоподдерживающееся образование сигналов отвечает за кратковременную память – речь идет о периодах в несколько секунд. Однако существуют убедительные доказательства того, что долгосрочная память вообще не требует нейронной активности. Некоторых из утонувших в ледяной воде удавалось вернуть к жизни после того, как они десятки минут были, по сути, мертвы. Хотя их сердце уже не работало, ледяная вода предотвратила необратимые повреждения мозга. Наиболее везучим удалось при этом практически не потерять память, несмотря на то что при таком охлаждении нейроны их мозга были совершенно не активны. А значит, те воспоминания, которые сохранились после такого жестокого опыта, не могут зависеть от нейронной активности.

Как ни удивительно, нейрохирурги иногда намеренно охлаждают тело и мозг. В ходе смелой медицинской процедуры под названием «глубокий гипотермический циркуляторный арест» (ГГЦА) сердце останавливают, и тело пациента охлаждают ниже +18 °C, резко замедляя все жизненные процессы. ГГЦА настолько рискован, что его применяют, лишь когда жизнь больного находится в смертельной опасности. Однако процент успеха в случаях использования этой методики достаточно высок, причем память пациента, пережившего ГГЦА, часто остается неповрежденной, хотя в ходе процедуры его мозг был, по сути, отключен.

Успехи ГГЦА подкрепляют гипотезу «двойного следа» в памяти. Самоподдерживающееся пикообразование – след краткосрочной памяти, тогда как более постоянные, самоподдерживающиеся связи – след памяти долговременной. Чтобы хранить информацию на протяжении долгого периода времени, мозг трансформирует ее: теперь она выражается не активностью нейронов, а их связями. Чтобы вспомнить информацию, мозг снова переводит ее с языка связей на язык активности.

Концепция двойного следа объясняет, почему воспоминания могут храниться в долгосрочной памяти без помощи нейронной активности. Когда первоначально возникающая активность вызывает эффект хеббовской пластичности, информация записывается благодаря связям между нейронами в клеточном ансамбле или синаптической цепочке. В дальнейшем, когда информация вспоминается, эти нейроны активируются. Но в период между записью и припоминанием рисунок активности этих связей может оставаться непроявленным.

Как-то неизящно – иметь целых два способа хранения информации. Возможно, для мозга было бы эффективнее использовать лишь один? Полезная аналогия здесь – компьютеры, они ведь тоже применяются для хранения данных. У компьютера есть две системы хранения информации: запоминающее устройство с произвольным доступом (ЗУПД, оперативная память, random access memory, RAM) и жесткий диск. Тот или иной документ может долго храниться у вас на жестком диске. Когда вы открываете документ в текстовом редакторе, компьютер передает соответствующую информацию с жесткого диска в оперативную память. Когда вы редактируете документ, информация в RAM модифицируется. А когда вы его сохраняете, компьютер передает информацию из оперативной памяти обратно на жесткий диск.

Поскольку компьютеры созданы инженерами-людьми, мы знаем, почему у этих устройств две системы хранения данных. Дело в том, что и у жесткого диска, и у RAM есть свои преимущества. Жесткий диск обладает стабильностью: он может хранить информацию, даже когда отключено питание. Информация же в оперативной памяти легко теряется. Представьте, что в ходе редактирования текста отключилось электричество. Все электрические сигналы внутри компьютера затухают. Когда вы снова включите и загрузите компьютер, вам покажется, что ваш документ остался в целости и сохранности, ведь он лежал на жестком диске. Но если вы вглядитесь, то увидите, что сохранилась лишь прежняя версия текста. Ваша свежая правка, хранившаяся в оперативной памяти, исчезла.