Месяц назад американский стартап Kernel объявил о начале разработки имплантата для улучшения памяти и обучаемости людей с нарушениями этих функций — например, при болезни Альцгеймера. Научным руководителем проекта стал Теодор Бергер (Theodore Berger) из Университета Южной Калифорнии, который предложил модель активации нейронов гиппокампа в процессе восприятия и запоминания информации, а также показал возможности целенаправленно стимулировать такую активность в гиппокампе мышей и даже приматов.

В Kernel Бергер займется созданием «гиппокампальных протезов» для людей, нуждающихся в них. О его работе мы поговорили с нейрофизиологом из Центра нейроинженерии Университета Дьюка Михаилом Лебедевым.

Прежде чем разбираться с механизмом работы возможного «протеза памяти», давайте разберемся с самой памятью. Есть нейроны, есть синапсы, контакты между ними, и чем чаще синапсы проводят возбуждение, тем легче они срабатывают впоследствии. Эта пластичность синапсов как бы и является памятью. Но этим картина не исчерпывается. Что нам на сегодняшний день твердо известно о механизме кодирования памяти на более высоком, чем синапс, уровне?

Историю с синапсами «придумал» Дональд Хебб, и он же «придумал» более высокий уровень, получивший название нейронного ансамбля, нейронной сети. По Хеббу, усиление синапса происходит лишь в том случае, если одновременно активируются и один из нейронов, который получает сигнал с синапса, и аксон — нервное волокно «входящего» нейрона. Собственно, так и формируется память: если нейрон «проявляет заинтересованность» и в этот момент получает сигнал, то узел связи укрепляется. Словно производится запись в телефонную книжку. Если впоследствии в нейрон поступит сигнал по этому каналу, то он откликнется с большей вероятностью, так как «помнит о предыдущем разговоре».

Можно вспомнить эксперименты Павлова с собаками, лампочками и звонками, там происходит почти то же самое. Лампочка или звоночек производят сигнал, который приходит к возбужденным едой нейронам. Эти связи укрепляются, и в следующий раз звонка уже достаточно, чтобы собака вспомнила о пище, и у нее потекли слюнки.

Павлов назвал подобное укрепление связей условным рефлексом, подразумевая достаточно простую нейронную сеть. Хеббовский ансамбль гораздо сложнее — это уже нейронная сеть, включающая большое число узлов и связей. Такая сеть использует свои принципы кодирования информации (до сих пор науке неизвестные) и генерирует разные виды активности (например, нейронные осцилляции). Кроме того, одна и та же сеть может хранить много «записей» в самой своей конфигурации. Эти записи достаточно устойчивы к повреждению отдельных элементов — микроинсульт может убить какое-то количество нейронов, но память останется.

Память такого рода часто сравнивают с голограммой, имея в виду, что каждый небольшой участок мозга хранит всю запись, а за счет большого количества участков происходит лишь улучшение детализации этих записей — то есть, практически как в голограмме. Но элементарная основа такой голографической памяти — это все-таки нейроны и синапсы.

Стоит добавить, что в мозге много разных видов синапсов: есть химические синапсы, использующие для передачи нейротрансмиттеры, но есть и электрические, у которых между нейронами передаются ионы — так же, как это происходит при возбуждении сердца. Кроме того, и нейронов существует великое множество, они могут быть возбуждающими и тормозными. Нельзя забывать и о глиальных (вспомогательных) клетках нервной ткани, которые тоже могут играть определенную роль в формировании памяти.

Smithsonian Institution

Для полноты картины добавим, что память может быть осознаваемая, как воспоминание о вчерашнем вечере, и неосознаваемая, как моторная программа езды на велосипеде, кратковременная (она же «рабочая») и долговременная, декларативная (память о понятиях) и эпизодическая (о событиях). В общем, ясно, что с памятью ничего не ясно. Неясен распределенный код представления памяти. Неясно, как формируется запрос на считывание памяти, как она возвращается в ответ на запрос и в каком виде.

…то, что называется «энграмма»?

Не совсем. В описании немецкого зоолога Рихарда Земона, введшего этот термин, энграмма — это «запись», остающаяся в возбудимой ткани после прохождения по ней возбуждающего стимула. Земон придумал и термин «экфория», означающий процесс считывания памяти из энграммы. Вообще, популярность эти представления получили после публикации работы Карла Лешли «В поисках энграммы».

История сводилась к тому, что Лешли искал энграмму, но так ее и не нашел: он разрушал различные участки мозга подопытных животных, после чего память ухудшалась, но не пропадала совсем. Лешли пришел к выводу, что память не хранится локально, она распределена по всему мозгу. Собственно, примерно такие же представления существуют и сейчас. Хотя, конечно, мы значительно продвинулись в понимании биофизики и физиологии синаптических изменений, основная загадка остается: как построен распределенный код и как он считывается? Этого мы не знаем.

Что происходит при запоминании? Какую роль при этом играет павловское подкрепление?

Для формирования памяти важны механизмы внимания: запоминается только то, на что мы обращаем внимание. В каждый момент времени существует контекст, который определяется и внешними факторами, и состоянием мозга. Например, я в музее и рассматриваю картины; я в спортклубе и занимаюсь спортом; я в библиотеке и читаю книгу. В зависимости от контекста, мы обращаем внимание на определенную внешнюю информацию, поступающую к нам через органы чувств.

В результате происходит возбуждение нейронных сетей, которое может короткое время поддерживаться за счет ревербераций — передачи сигнала от нейрона к нейрону. Если эта информация значима, она поступает в гиппокамп, который помогает перевести ее в долговременную память. Но хотя гиппокамп способствует запоминанию, в конечном итоге долговременная память в нем не хранится, а распределена по всему мозгу.

По мере запоминания большая часть информации утрачивается; мы помним, как правило, самое существенное, либо что-то, что привлекло наше внимание и запомнилось. Ну а самое существенное и запоминающееся для биологического организма — это пища. Поэтому павловское подкрепление настолько сильно, и сильно все, что с ним связано: вкус, запах. Впрочем, кроме павловского подкрепления есть еще и другие важные факторы, сигналы опасности и стремление к размножению, которые также способствуют запоминанию. Эти факторы можно описать общим понятием мотивации, в формировании которой важную роль играют подкорковые ядра. Именно мотивация и эмоции определяют яркость памяти.

Чем определяется нейронный состав энграммы? Какие подходы используются, чтобы его установить?

Прежде всего, есть подходы нейрофизиологические, которые позволяют регистрировать активность нейронов при запоминании и воспроизведении памяти. Фармакология помогает разобраться в биохимических механизмах этих процессов. Кроме того, можно искать следы памяти и под микроскопом, исследуя изменения в нейронах и синапсах. Важную помощь оказывают исследования сна: считается, что именно во сне происходит консолидация, закрепление памяти. С этой целью мозг снова «проигрывает» дневные записи и переводит их в долговременную память.

Можно вспомнить довольно курьезное исследование, выполненное лет 40 назад: червей обучали двигаться по определенному маршруту, а затем пускали на фарш и кормили других червей, необученных. Исследователям показалось, что такой каннибализм позволяет передавать память и «молекулы памяти». Правда, потом все же оказалось, что это была ошибка.

На основании наших знаний о памяти, какой подход — чисто теоретически — мог бы привести к созданию «электронных стимуляторов запоминания»? Допустим, мы способны сделать любое устройство. Что именно оно должно делать?

Как уже упоминалось, важную роль в запоминании играет гиппокамп. Его структура хорошо изучена, есть общее понимание того, как именно он осуществляет запоминание. Для простоты положим, что в гиппокампе есть отдел А и отдел Б, и для запоминания важна передача информации из А в Б. Допустим, мы изучили связь между активностью А и ответами Б и обучили математический алгоритм вычислять эти ответы. Теперь мы можем обойтись без А, просто электрически стимулируя Б и вызывая в нем предсказанные алгоритмом ответы. Так примерно работает электрический стимулятор памяти, разработанный Теодором Бергером.

Кстати, Бергер не первый, кто активирует память электрической стимуляцией. Несколько групп отмечали, что стимуляция через электроды, имплантированные людям в областях мозга, близких к гиппокампу, либо вызывают воспоминания, либо улучшают память. Хотя добавлю, что электроды в этих исследованиях были имплантированы не с целью улучшения памяти, а с целью лечения различных неврологических заболеваний.

Энграмма формирует более или менее стабильный ансамбль нервных клеток, активность которых связана с запоминанием. Но вот заранее предсказать, какие именно нейроны должны попасть в этот ансамбль, мы не можем. Нет ли тут проблемы курицы и яйца? Чтобы закрепить связи в энграмме, нам надо стимулировать нейроны энграммы, но что за нейроны в нее войдут, мы не знаем, пока энграмма сама не сформировалась без нашей помощи?

Мы этого не знаем только потому, что плохо представляем, как происходит запоминание в мозге. Но мозг, возможно, сам заранее «знает», какие нейроны в каком ансамбле окажутся. По крайней мере, известно, что в нем имеются строгие и упорядоченные карты тела, сенсорные и моторные. Разобраться в картах абстрактной памяти сложнее, но это не значит, что их нет.

Как именно работает устройство, над которым работает команда Бергера? На что оно уже способно?

Само по себе устройство Бергера не слишком сложно: несколько электродов в области А гиппокампа, несколько электродов в области Б. Сначала крыса что-то запоминает; записывается активность А и Б, математический алгоритм обучается переводить активность А в активность Б. Далее можно перерезать связи между А и Б, но стимулировать Б и формировать нужную память.

Smithsonian Institution

Бергер сообщает, что система основана на их математической модели MIMO, которая предсказывает активность нейронов гиппокампа. Как она работает?

MIMO — это сокращение от Multiple Input, Multiple Output, «Много входов, много выходов». Имеется в виду, что несколько электродов используется в области А, и несколько — в Б. На основании сигналов А выводятся сигналы Б. В математическом алгоритме используется нелинейная модель Вольтерры, подходящая именно для таких операций.

Насколько просто перенести очень искусственные экспериментальные условия, в которых работали Бергер и его команда, в реальную жизнь? Возможно ли это вообще?

Что-то возможно, а что-то невозможно. Невозможно, например, посредством электростимуляции записать в память содержание книги или фильма. Мы просто не знаем, как кодировать такую информацию. Но что касается улучшения памяти у больных — это, несомненно, возможно. Модулируя естественный процесс запоминания электрической стимуляцией, можно снизить влияние патологических процессов, мешающих работе памяти. Патологические процессы в разных областях мозга, как правило, проявляются в виде вспышек активности, подобных эпилептическим. Такие вспышки можно подавить электрической стимуляцией.

Подобные методики используются и в других случаях, например, для лечения болезни Паркинсона; только здесь стимулируется не гиппокамп, а базальные ганглии. Такое искусственное упорядочивание их активности позволяет справиться с сильнейшим тремором, от которого страдают такие пациенты.

В отличие от паркинсонизма, для улучшения памяти необязательно помещать электроды глубоко в мозг. Можно стимулировать и с поверхности головы, транскраниально. Правда, все эти разработки достаточно новые и результаты пока неоднозначны. С той же целью используются и фармакологические препараты, ноотропы, которые стали так популярны у студентов.

Насколько универсальны механизмы памяти, которые исследуются на уровне гиппокампа и его частей? И если какие-то подходы сработают для него, можно ли будет перенести их на другие области мозга?

Замечу, что, собственно, и для гиппокампа пока нет твердо установленных методик, как нет и по-настоящему мощного протеза памяти для гиппокампа. Поэтому проблема «переносить или не переносить» пока не стоит. Общие принципы, несомненно, переносимы, так как любая часть мозга — это электрическая машина, хотя от протезирования целых отделов мы пока еще очень далеки.

Гораздо легче удается протезирование периферических отделов нервной системы: например, кохлеарные имплантаты оказались удивительно эффективными, ими пользуются сотни тысяч людей с проблемой слуха. Это потому, что кодирование сигналов в периферических нервах достаточно просто, их достаточно стимулировать с подходящей частотой. Но вот с высшими отделами все сложнее. Здесь действуют миллиарды нейронов, выполняющие тонкие операции. Надеяться, что ими получится филигранно управлять с помощью вставленных проволочек-электродов, было бы наивно.

Так что в настоящее время лучшим способом улучшить память является использование электронных справочников — таких как «Википедия». В древности уповать на записи вместо собственной памяти считалось недостойным, об этом упоминается в диалогах Платона («…будет лишена упражнения память: припоминать станут извне, доверяясь письму, по посторонним знакам, а не изнутри, сами собою» [«Федр», пер. А.Н. Егунова] — N+1). Но пока у нас нет эффективных протезов памяти, будем уповать на интернет. А появятся в будущем — запомним всю «Википедию».

Smithsonian Institution

Автор: Беседовал Роман Фишман