Мозговые центры обучения и памяти

В XIX веке в изучение этого вопроса огромный вклад внес российский ученый Иван Михайлович Сеченов. Дальше эту эстафету подхватил Иван Петрович Павлов, который разработал теорию условных рефлексов и предложил метод для изучения условных рефлексов и процессов формирования памяти.

Вообще, в науке очень важно придумать метод. Все знали, что животные учатся. Но как сделать некую экспериментальную обстановку, попав в которую собака Павлова обязательно сформирует какой-то навык? Заслуга Ивана Петровича поэтому очень велика, и его работы лежат в основе современной физиологии мозга и современной нейрофизиологии.

Как ведет себя павловская собака в этом эксперименте? Ей предъявляется некий, как писал Иван Петрович, исходно незначимый сенсорный сигнал: звонит колокольчик, потом возникает еда, собака эту еду ест, а после нескольких повторов звук колокольчика начинает вызывать слюноотделение. Появляется реакция, которая раньше была направлена непосредственно на еду, а теперь каким-то образом к запуску этой реакции присоединился звуковой сигнал. Павлов назвал это условным рефлексом — реакцией, которая формируется при определенных условиях. Исчезает она тоже при определенных условиях. Если говорить современным языком, то получается, что в ходе этой экспериментальной процедуры в мозге возникает новый канал для передачи информации.

До Павлова слуховой центр и центр, запускающий слюноотделение, не были связаны. А нервные клетки из слухового центра каким-то образом передают сигнал в центры, связанные с работой слюнной железы. Иван Петрович Павлов подозревал, а мы теперь точно знаем, что эти новые каналы для передачи информации формируются в коре больших полушарий. Когда собака начинает реагировать слюноотделением в ответ на звонок, это означает, что нейроны височной коры, слуховой коры передают сигнал в так называемую островковую долю, которая находится в глубине боковой борозды. Соответственно, передача этого сигнала идет настолько эффективно, что в итоге островковая кора запускает слюноотделение.

Современная нейрофизиология знает, что в основе формирования новых каналов для передачи информации лежит модификация синапсов. То есть синапсы, которые находятся по дороге от височной коры к островковой доле, начинают вырабатывать больше медиатора, рецепторы в этих синапсах становятся более многочисленными. В итоге сигнал передается все более и более эффективно.

Обучение, которое идет по павловским принципам, называют ассоциативным обучением. Кроме присутствия сенсорного сигнала оно обязательно требует биологически положительного результата, срабатывания центров положительных эмоций и удовлетворения какой-то потребности. Павловская собака учится на основе получения небольшого количества пищи. Крыса, которая в ответ на включение лампочки прыгает на полочку, чтобы не получить небольшой удар током, учится на основе так называемой пассивно-оборонительной программы. Она убегает от опасности, и это биологически положительный результат. Крыса, которая прыгнула на полочку и спаслась, не менее счастлива, чем собака, получившая кусочек еды.

Оказалось, что ассоциативное обучение, которое идет по таким принципам, — это самый сложный способ обучения. Павлов сразу взялся за более сложное явление в сфере обучения и памяти. Сейчас мы знаем, что в мозге с ассоциативным обучением сосуществуют другие виды обучения и другие виды памяти. Эти виды обучения называются неассоциативным обучением, основные из них ― это суммация, долговременная потенциация и импринтинг.

Суммация ― это был вид обучения, который раньше всего удалось не просто описать, а проанализировать на синаптическом уровне. На уровне поведения суммация выглядит следующим образом. Есть какой-то исходно незначимый сигнал, например не очень громкий звук, на который вы не реагируете. Но если этот звук устойчиво повторяется, то в некоторый момент нервная система обращает на него внимание и начинает реакцию. Скажем, вы сидите дома и смотрите телевизор. Вдруг вы услышали, что вода капает из крана. Она, может быть, капает там уже два месяца. Но именно здесь и сейчас ваш мозг обратил внимание на это повторное «кап-кап-кап» и отреагировал. С биологической точки зрения понятно, что если сигнал слабый, но он повторяется, то его стоит проанализировать.

Классиком изучения механизма суммации является Эрик Кандел ― американский ученый, который в 2004 году получил за свою работу Нобелевскую премию. Его модельным объектом оказалась не собака и даже не лабораторная мышка, а моллюск под названием аплизия. Это такой большой морской слизняк, который иногда даже умеет как бы парить в воде, летать. Он ведет не очень затейливый образ жизни, питается водорослями, и он, скажем так, не очень вкусный. У него нет раковины, а жабра, с помощью которой он дышит, находится прямо на поверхности тела.

Кандел придумал методику очень мягкого воздействия на эту жабру. Если жабру сильно ткнуть, то слизняк спрячет ее в специальную мантийную полость, в карман на спине. Если тихонечко воздействовать, то поначалу не прячет. Но если повторять воздействия каждые пять секунд, то реакция возникает. Кандел использовал для такой стимуляции трубочку от коктейля, через которую шла струйка воды, и, соответственно, он мог очень тонко дозировать силу давления на жабру. Дальше удалось ввести регистрирующие электроды во все нервные клетки цепочки, которая запускает втягивание жабры, и выяснить механизмы суммации. Тут действительно нужно очень точно подобрать силу воздействия, потому что на первую стимуляцию нет реакции, на вторую нет, а на пятую она возникает, и дальше моллюск при каждом воздействии исправно прячет жабру.

Оказалось, что основной механизм суммации ― это так называемое пресинаптическое накопление кальция. Каждый раз, когда даже небольшой сенсорный сигнал проходит через аксон, перед выделением медиатора в окончание аксона входит кальций. После того как медиатор выделен, этот кальций откачивается, уходит, чтобы как бы перезагрузить систему. Но если мы будем давать стимул достаточно часто, то кальций накапливается, и в итоге при каждом очередном стимуле выбрасывается все больше медиатора, и в какой-то момент возникает реакция. Этот вариант можно назвать кратковременной памятью, потому что, если мы оставим систему в покое на несколько минут, весь кальций в конце концов уйдет и сеть забудет о том, что она реагировала на этот повторный слабый сигнал.

В жизни у нас такое часто бывает, когда мы используем данный механизм. Скажем, вам сообщили, что у вас занятие в 358-й аудитории, и вы идете и повторяете: «Триста пятьдесят восемь, триста пятьдесят восемь» ― это вы повторно дуете на свою мозговую «жабру», чтобы не забыть. А потом вам позвонила лучшая подруга, вы с ней поговорили каких-то 5–10 минут, положили трубочку, обращаетесь к мозгу: «Мозг, в какую аудиторию идем?» ― «А я не помню». Весь кальций уже ушел, и система заново должна загружать эту информацию. Для того чтобы происходила суммация, не нужно никаких дополнительных ухищрений: она случается на любом синапсе.

Второй механизм — механизм долговременной потенциации — позволяет сохранить память на несколько часов. В основе этого механизма лежит работа NMDA-рецепторов и синапсов, в которых выделяется глутаминовая кислота. Глутаминовая кислота, глутамат — это главный возбуждающий медиатор нашего мозга. А у NMDA-рецепторов есть такая особенность: они могут закрываться магниевой пробкой. И пока пробка закрывает рецептор, он не работает. Но если дать сильный сигнал, пробка вылетает, рецептор мгновенно переходит в рабочее состояние, и соответствующий синапс начинает очень активно проводить сигнал.

Больше всего синапсов, способных к долговременной потенциации, находится в глубине височной доли наших полушарий. Здесь расположена структура, которая называется гиппокамп. Он связан с долговременной потенциацией и запоминает некие значимые, эмоционально или сенсорно, события, которые с нами случаются в течение текущего дня. Выключение NMDA-рецепторов, то есть возврат магниевых пробок, происходит в основном во сне. Гиппокамп очищается от информации, которая накопилась за текущий день, но при этом эта информация может стираться безвозвратно или перезаписываться в систему долговременной памяти. Поэтому гиппокамп очень важен как для кратковременной памяти, так и для формирования долговременной памяти. Скажем, электрическое воздействие на гиппокамп приводит к тотальному выбиванию магниевых трубок, и в итоге человек забывает сам момент электрошока и несколько часов до шока. Это явление называется ретроградной амнезией.

Теперь несколько слов про импринтинг. Это уже долговременная память, которая тоже относится к разряду неассоциативной, то есть не идет на фоне положительных эмоций. Особенностью импринтинга является то, что он приурочен к определенному периоду онтогенеза, к какому-то определенному моменту жизни живого организма. Все остальные виды памяти формируются когда угодно. А импринтинг связан с рождением детеныша, половым созреванием или еще с каким-то эмоционально очень значимым событием.

Открыл и описал импринтинг Конрад Лоренц ― выдающийся австрийский зоопсихолог, который за свою работу тоже получил в 1970-е годы Нобелевскую премию. Его классические исследования посвящены тому, как птенец, цыпленок или гусенок запоминает образ матери. Идет сенсорное запечатление образа родителя, нейроны, которые запомнили, что этот объект является мамой, запускают реакцию детского поведения. Цыпленок смотрит, смотрит, смотрит на курицу, а дальше ― бац! ― заработал соответствующий отдел его мозга, и он начинает реализовать свои детские реакции и адресовать их этому объекту: пищать, звать в случае опасности, прятаться, следовать, подражать и так далее.

На примере нейронов, которые отвечают за импринтинг, впервые удалось описать механизмы долговременной памяти, и оказалось, что эти механизмы связаны уже с воздействием на ядерную ДНК. Когда мы говорим о суммации или долговременной потенциации, синапс более-менее уже существует, но в нем меняются какие-то достаточно тонкие параметры. Когда идет импринтинг, в синапсе очень мало рецепторов. Он готов проводить сигнал, но пока хватает белков, которые будут воспринимать действие медиатора, а медиатором является опять же глутаминовая кислота.

Система организована таким образом: когда мозг цыпленка видит некий рыжий объект (маму-курицу), соответствующий зрительный канал запускает небольшую активацию обучающегося нейрона. Эта активация передается на ядерную ДНК, на те гены, которые отвечают за образование рецепторов к глутаминовой кислоте. Гены активируются, возникает информационная РНК, идет на рибосому, рибосомы делают дополнительные рецепторы к глутаминовой кислоте, которые встраиваются в мембрану синапса, проводящего сигнал о рыжем объекте. В какой-то момент система начинает работать, и это состояние сохраняется пожизненно. Это долговременная память, которая способна определять не только детское поведение, но и дальнейшие зоосоциальные реакции особи внутри стаи, внутри какого-то коллектива.

На основе изучения импринтинга нам постепенно становится понятно, как работает ассоциативное обучение, потому что логика процессов, которые еще Павлов описал на уровне слюноотделения у собаки, примерно такая же. Когда идет исходно незначимый сенсорный сигнал, соответствующие синапсы тоже увеличивают количество рецептора. Чтобы сформировалась долговременная память, нужно дотянуть воздействие до ядерной ДНК (это делает специальная система вторичных посредников), синтезировать дополнительные рецепторы к глутаминовой кислоте и встроить их в мембрану обучающегося синапса.

В случае ассоциативного обучения есть одна проблема: воздействие довольно короткое. В случае импринтинга цыпленок смотрит на курицу, сигнал идет долго, долго раскачивает ядерную ДНК и синтез рецепторов. А в случае павловской собаки звонок совсем короткий. Как сделать его таким длинным, чтобы изменились синапсы? Здесь важнейшую роль играет как раз гиппокамп, который, запомнив некий сенсорный сигнал, пусть уже этот сигнал отсутствует, начинает передавать информацию о нем на обучающиеся нейронные цепи новой коры. Он имитирует, подменяет реальный сигнал. Память о том, что был звонок, продолжает поступать на обучающийся синапс, и мозг формирует новые информационные каналы, по которым передаются ранее незначимые, а теперь очень важные сигналы. Поведение модифицируется и становится более приспособленным к окружающей среде.