Эксперименты на животных и имплантация электродов: как ученые изучали память

От бессмысленных слогов и разрушений мозга до биохимии и оптогенетики

Более 100 лет изучения памяти можно разделить на четыре основных этапа. И если на первом из них ученые запоминали не имеющие смысла слоги и исподтишка кололи пациентов булавкой, то сейчас активируют нейроны с помощью света. Вместе с нейрофизиологом Ольгой Сварник мы составили экскурс в историю изучения памяти и дали аккуратный прогноз, как будет развиваться это направление в ближайшие годы. 



Первый шаг: поведенческий уровень

Сколько-нибудь серьезное изучение памяти начинается в конце XIX века, когда ученые исследовали этот феномен на уровне поведения. В качестве первого специалиста принято вспоминать немецкого психолога Германа Эббингауза, который хотел посмотреть работу «чистой памяти». Для этого он использовал «бессмысленные слоги», состоящие из двух согласных и гласной между ними, такие как «бов», «гис», «лоч».

Герман Эббингауз / wikimedia.org

Затем ученый пытался запоминать слоги, которые не имеют смысла, чтобы памяти не было за что зацепиться. Эббингауз выяснил следующее: бо́льшую часть слогов забывает сразу, но если что-то остается, то он помнит эту бессмыслицу в течение длительного срока. Результаты своих экспериментов психолог изложил в книге «О памяти», вышедшей в 1885 году, а его ключевое достижение — кривая забывания: через час человек забывает до 60% полученной информации, через 10 часов помнит лишь 35%, а через месяц в памяти остается 20% выученных слогов.

Журнал: Эксперименты на животных и имплантация электродов: как ученые

Далее была серия исследований Георга Мюллера и его ученика Альфонса Пильцекера, опубликованная в 1900 году. Немецкие психологи вдохновились работами Германа Эббинггауза и использовали его бессмысленные слоги в собственных исследованиях. Ученые хотели доказать, что воспоминания не формируются мгновенно во время обучения и памяти требуется время, чтобы закрепить полученные данные.

На основе 40 экспериментов, проведенных между 1892 и 1900 годами, психологи ввели такое понятие, как «консолидация памяти», когда данные «перемещаются» из кратковременной памяти в долговременную. По их данным, этот процесс занимает не менее 10 минут, а дополнительная умственная деятельность в это время снижает качество запоминания. Следовательно, сделали вывод ученые, память формируется [1] не только во время, но и сразу после окончания обучения — чтобы перейти в стабильное состояние, ей необходимо «утвердиться» или «консолидироваться».

Примерно в те же годы стали популярны эксперименты швейцарского психолога Эдуарда Клапареда. В 1911 году он незаметно колол иголкой руки своей пациентке, страдавшей расстройством кратковременной памяти. Через несколько дней больная перестала подавать Клапареду руку, при этом она не помнила, что они были знакомы с ученым или здоровались.

В 1932 году свет увидела книга «Воспоминание». Ее автор, британский профессор психологии Фредерик Бартлетт, утверждал, что одна из причин забывания информации — это постоянное обновление данных. В качестве эксперимента он просил своих студентов запомнить небольшой текст или необычный рисунок, а затем в течение некоторого времени ежедневно воспроизводить первоначальное произведение. И если испытуемые каждый день проделывали это, то уже через несколько недель их рассказ или рисунок был совершенно непохож на оригинал. В 1990-е годы этот процесс назвали реконсолидацией памяти: важно не сколько времени прошло, а сколько раз человек мысленно обратился к воспоминанию, и чем больше было таких обращений, тем ниже вероятность, что воспоминание соответствует объективной реальности.

Второй шаг: грубое изучение мозга

Поведенческие исследования памяти не были направлены на изучение процессов в мозге, однако параллельно другие ученые сосредоточились именно на этом органе. Тогда же два физиолога, российский и американский, создали своего рода полярные школы: от абсолютно узкого локализационизма, когда, по мнению ученого, конкретная память хранится в конкретном месте, до противоположного понимания, что якобы отдельный участок коры головного мозга ни за что не отвечает. 

Одним из первых был российский физиолог Иван Павлов, предложивший в начале ХХ века метод изучения условных рефлексов, благодаря которому удавалось локализовать физиологический субстрат тех или иных » памятных следов». Ученые до известных экспериментов Павлова на собаках не связывали в единую систему слуховой центр и центр, запускающий слюноотделение. Российский физиолог первым пришел к идее центров и к тому, что есть пути передачи информации, связывающие эти центры.

Практически параллельно американец Карл Лешли проводил свои эксперименты, после которых пришел к выводу, что кора головного мозга эквипотенциальна, то есть равноценна, в выработке навыков и решении интеллектуальных задач. Психолог ставил эксперименты на крысах и обнаружил, что если вынуть у них кусок мозга, то животные могут продолжать нормально функционировать. Лешли пришел к выводу, что все части коры равны и никаких специальных мест, где локализуется конкретная память, не существует. 

Истина, как это часто бывает, оказалась где-то посередине. В 1934 году немецкий психолог Карл Клейст опубликовал так называемые карты мозга: осмотрев огромное количество ранений, полученных участниками Первой мировой войны, психолог разметил кору больших полушарий по различным функциям. Среди участков были «схема тела», «понимание фраз», «конструктивные действия» или «настроение».

Журнал: Эксперименты на животных и имплантация электродов: как ученые

Сходные зависимости увидел советский психолог Александр Лурия, изучавший ранения, полученные во время Второй мировой войны. На основе собранных данных он сформулировал мысль [2], что: «высшие психические функции как сложные функциональные системы не могут быть локализованы в узких зонах мозговой коры или в изолированных клеточных группах, а должны охватывать сложные системы совместно работающих зон». По мнению ученого, каждая из этих зон вносит свой вклад в сложные психические процессы, при этом зоны могут располагаться в разных участках мозга, порой находящихся далеко друг от друга.

Третий шаг: нейронная эра

Александр Лурия, Иван Павлов, Карл Клейст — все ученые из предыдущего блока изучали мозг по одинаковому принципу: попытка понять, где хранится в мозге та или иная информация, анализируя случаи разрушения мозга. Когда появилась возможность имплантировать электроды в мозг человека или животного и следить за отдельными нейронами, ученым стало работать проще.

Одним из первопроходцев нового подхода принято считать канадца Уайлдера Пенфилда. Пенфилд ставил свои опыты в 1950-х годах: имплантировал электроды в мозг пациентам во время операций, стимулировал различные нейроны и наблюдал за реакцией — например, если от слабого электрического импульса двигались пальцы или дергался глаз. В результате своих опытов нейрохирург составил гомункулус, своего рода карту, на которой части тела пропорциональны зонам мозга. 

В начале 1960-х годов американский биохимик Луис Флекснер выяснил, что препараты, подавляющие синтез белков в мозге, нарушают работу долговременной памяти, но практически никак не сказываются на кратковременной. Он вместе с коллегами вводил крысам вещества, ингибирующие синтез белков, после чего у грызунов перестали формироваться память. Флекснер пришел к выводу, что, если мы хотим сохранить долговременную память, необходимо, чтобы мозг синтезировал белки.

В 1960-х годах появилась возможность регистрировать нейроны животных, и в 1976-м американец Джон О’Киф опубликовал свою работу [3], в которой электрод был помещен в гиппокамп крысы. Ученый располагал в лабиринте игрушечного крокодильчика, затем запускал туда крысу и регистрировал активность нейронов, чтобы составить когнитивные карты крыс. Так О’Киф отследил нейрон, который активировался только при виде крокодильчика. По словам ученого, эти результаты можно интерпретировать как подтверждение его же идею о том, что гиппокамп связан когнитивные функции. Помимо этого, он доказал, что существуют «нейроны места», то есть животные все пространство по смыслу делят на разные места. В 2014 году Джон О’Киф получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

В целом 1970-е годы можно считать расцветом нейронной эры. Техническая возможность регистрировать нейронную активность в процессе свободного поведения позволила наблюдать за специализациями нейронов в реальном времени. Но на подходе уже были новые методы — использование биохимии.

Четвертый шаг: биохимические исследования

Дальше — тоньше: в 1980-х годах ученые взялись за биохимические исследования, благодаря которым они стали понимать, какие изменения происходят внутри нейронов. Например, с помощью радиоактивной глюкозы выяснили, что мозг потребляет много глюкозы, когда что-то запоминает. 

Журнал: Эксперименты на животных и имплантация электродов: как ученые

Как уже было сказано, синтез белков и матричной РНК — необходимое условие формирования памяти. А в конце 1980-х годов практически одновременно в нескольких группах возникло понимание, что нейроны меняют экспрессию своих генов, когда обучаются чему-то. То есть в сложившейся нейронной сети животного, приобретавшему новое знание, был сентизирован белок FOS, значит, эта нейронная группа » отвечает» за только что сформированную память.

Интересный факт про ранние гены, например, ген c-fos: изменение экспрессии генов в нейронах при формировании памяти активнее всего идет в течение первого часа. Через полчаса после обучения появляется первый белок, и затем полтора часа идет максимум белкового синтеза. Кстати, один из ключевых российских специалистов по вопросам памяти Константин Анохин в 1992 году защитил докторскую диссертацию [4] по теме «Ранние гены в механизмах обучения и памяти». 

Наше время: развитие имеющихся подходов

В ХХI веке ученые последовательно развивают три из четырех имеющихся направлений изучения памяти. Поведенческий уровень в 1997 году обзавелся тем самым термином реконсолидации, развивая наработки Бартлетта 1930-х годов. Ученые выяснили, что каждый раз, когда память возвращает к жизни определенные воспоминания, нейронная группа входит в нестабильное состояние, активируется производство белка и это воспоминание перезаписывается. Психологи пришли к выводу, что стереть давно сложившуюся память можно с помощью определенного блокатора синтеза белков.

Нейронный подход также продолжают развивать до сих пор. Например, британские ученые выяснили, что овцы могут менять специализацию нейронов относительно собственного ягненка. Если у овцы никогда не было ягнят, максимум нейронов в ее мозге связаны с запахами еды. Но после рождения ягненка в активном состоянии находятся те, что связаны с запахом собственного ягненка.

В 2005 году в этом направлении появился такой подход [5], как оптогенетика1. Например, нейроны могут быть активированы с помощью синего света. Этот метод позволяет ученым контролировать активность различных типов клеток с высокой точностью. 

Оптогенетика дала мощный стимул современному изучению памяти — всю вторую половину 2000-х и начало 2010-х годов большая часть научных специалистов, занимавшихся этим вопросом, использовали оптогенетику. Освещая мозг, можно вызывать к жизни активность именно той нейронной группы, которая связана с определенным видом памяти, то есть вызывать к жизни ту память или воспоминание, которое сейчас необходимо.

Ольга Сварник, кандидат психологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории психофизиологии им. В. Б. Швыркова Института психологии РАН:

— Мне кажется, что современное изучение памяти будет двигаться в сторону расширения памяти или лечения ее потери. Многие люди сейчас жалуются, что они ничего не помнят, но я не вижу в этом большой проблемы: память в принципе устроена так, что мы должны забывать. Благодаря этому мы можем использовать ее в самых разных условиях. К тому же сегодняшнее развитие интернета и технологий делает все возможное, чтобы мы не хранили данные в голове. А вот потеря памяти — это огромная проблема. Например, при болезни Альцгеймера белки, которые должны функционировать в клетке, слипаются, дают токсический эффект, что приводит к гибели нейронов. И если мы сможем в какой-то момент остановить подобные процессы дегенерации, это будет большое достижение.

Автор: Ольга Сварник

Источник: https://postnauka.ru/longreads/156879