Материальная основа памяти

5 фактов о порождении памяти, ее зависимости от белка и молекуле памяти между нервными клетками

Одна из самых главных загадок нейрофизиологии — это вопрос, что происходит при обучении. Мы все знаем, что каждое животное и человек может обучиться чему-то. И какие-то материальные следы этого должны остаться в нашем мозгу. Психологи, к сожалению, описывают эти процессы несколько иначе, чем физиологи, и пытаются описать разум как какую-то самостоятельную сущность. Физиологи же, раскрыв мозг, находятся в положении тех физиков, которые открывают радиоприемник, видят все детали, могут зарегистрировать звук, но собственно музыку они там не увидят никогда, потому что ее там нет. Так и наш мозг воспроизводит мысль, но в самом мозгу ее нет.

1. Порождение мысли

Тем не менее, в отличие от радиоприемника, в нашем мозгу совершенно точно есть какие-то следы, которые остаются. Например, если мы слышали какую-то мелодию когда-либо раньше, то у нас есть память об этой музыке. И если мы услышим первые несколько тактов из нее, а потом музыка прекратится, мы обязательно у себя в мозгу воспроизведем следующие несколько тактов. То есть где-то в мозгу у нас есть материальные следы того, что мы слышали, того, что с нами происходило. И эти следы ищут ученые уже тысячи лет. Самой первой теорией памяти, которая возникла три тысячи лет назад, было представление о мозге как наборе глиняных табличек, на которых записывали что-то, потом их складывали, а по мере надобности вынимали. Но в действительности никаких материальных следов обнаружить ученым почти не удается. Более того, есть несколько гипотез, говорящих о том, что каждый раз память порождается. Каждый раз, услышав знакомую музыку, мы не просто воспроизводим ее из памяти, но мы ее порождаем.

2. Зависимость памяти от белков

Наша память основана на каких-то очень сложных процессах, понять материальные основы которой — одна из задач современной нейрофизиологии. И подходы к ней чрезвычайно непростые. До 2006 года среди ученых существовал некий пессимизм, связанный с тем, что совершенно точно было установлено, что наша память зависит от белков. Это было показано практически на всех животных путем блокады синтеза белка — при этом кратковременная память образуется, а долговременная не образуется. Если мы обучим чему-то животное или человека и заблокируем синтез белков на два-три часа, то по окончании этого срока окажется, что он ничего не помнит. То есть новые белки должны синтезироваться, для того чтобы у нас сформировалась и сохранилась какая-то память. Но проблема в том, что время жизни белков — дни, в крайнем случае недели, и только некоторые белки живут чуть дольше. 98% всех белков за 3–4 дня разлагаются и замещаются новыми. Их синтез идет постоянно. То есть если где-то память закодирована какими-то молекулами, то все они распадаются через несколько дней. А как мы знаем, наша память хранится годами и десятилетиями.

3. Поиск специфичных для памяти молекул

Тем не менее ни одна из гипотез порождения памяти заново или формирования при каждом воспроизведении какого-то события не обходится без каких-то материальных следов. Поиск этих основ велся по всем биохимическим и молекулярным системам с целью найти какие-то молекулы, которые специфичны именно для памяти. И сначала было показано, что абсолютно все системы необходимы для памяти. Потому что если мы нарушим систему, контролирующую мембрану нервной клетки, то она разрушится — память исчезает. То есть оказалось, что почти любая биохимическая система клетки необходима и для формирования памяти, и в то же время для многих других функций. Классический обзор Davis,H.P.,andSquire,L.R.(1984).Proteinsynthesisandmemory:areview. Psychol.Bull. 96, 518–559.doi:10.1037/0033-2909.96.3.518

4. Молекула памяти

Никакой специфики в молекулах вроде бы находить не удавалось. Но в 2006 году сразу появилось несколько статей о молекуле, которую можно было в каком-то приближении назвать молекулой памяти. Оказалось, что это белковая молекула, которая в нервной системе находится в самом критическом месте — в контакте между нервными клетками (его называют «синаптический контакт»). Все дело оказалось в связях. Нервные клетки получают и передают информацию, и сама передача происходит электрическим путем внутри нервной клетки, а соседям — с помощью химической передачи. В месте контакта, где электрическая энергия переходит в химическую, происходит передача информации по нервной сети, и эффективность этой передачи очень важна. Фактически эффективность связей между клетками нейронной сети определяется эффективностью синаптической связи.

Оказалось, что в процессе регуляции эффективности синапсов задействована целая молекулярная система, в критическом месте которой стоит регулирующая молекула (кандидат на молекулу памяти), которая контролирует транспорт рецепторов в синаптическую область. Другими словами, эта молекула контролирует другие белки. Но если всю эту систему просто уничтожить, как-то специфически заблокировать, то ничего не произойдет — в жизнедеятельности животного, на котором проводится эксперимент, ничего не изменится, кроме выпадения элементов памяти. Животное при этом нормально питается, двигается и даже способно к обучению. То есть ни в чем другом, кроме хранения долговременной памяти, эта система не участвует. Эта система не очень-то и важна до тех пор, пока не наступает время формирования долговременной памяти (в формировании кратковременной памяти она не участвует).

При исследовании молекулярных механизмов работы этой белковой системы вдруг оказалось, что именно эти молекулы способны к самовоспроизведению. То есть если эти молекулы в каком-то количестве появились в каком-то конкретном месте нервной системы, то это увеличенное их количество именно в этом месте и сохраняется. Эти молекулы обладают способностью самовоспроизводить это увеличенное количество. В каком-то смысле этот процесс и есть поддержание памяти. На сегодняшний день даже ясен механизм, как можно создать искусственный аналог такой молекулярной системы.

5. Проблема исследования молекулярных механизмов памяти

В настоящее время мы можем описать молекулярные механизмы формирования и хранения отдельных видов памяти, и, возможно, с помощью этого знания мы сможем контролировать эти процессы, сможем улучшить или ухудшить память. Проблема на сегодняшний день в том, что у обычного позвоночного животного около десяти миллиардов нейронов (у человека до ста миллиардов), а каждый нейрон образует еще дополнительно десять тысяч связей с соседями. При обучении в памяти, возможно, меняется несколько тысяч связей из этих триллионов. Увидеть или направленно изменить только нужную синаптическую связь на сегодняшний день невозможно, поскольку пока таких подходов и технологий не существует, хотя природа с этим справляется. Возможно, новые подходы в этой области появятся не из области электрофизиологии, не из классической нейрофизиологии, а из нейрогенетики.

В ходе исследований молекулярных механизмов памяти оказалось, что в процессе памяти участвует не одна молекула, а целое семейство гомологичных молекул. И они участвуют в разных формах памяти и с вовлечением разных медиаторов. Но суть остается та же: есть белковые молекулы, увеличение количества которых в совершенно определенной части нервной системы вызывает надолго изменение эффективности работы этой части системы, то есть какую-то память. И эта молекулярная система имеет собственный, в каком-то смысле неограниченный во времени механизм самовоспроизведения и самоподдержания. И в то же время при некоторых воздействиях эту систему можно изменить. Сейчас это сфера максимально интенсивных исследований в области нейрофизиологии.

Павел Балабан