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

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.

Но если жесткий диск так надежен и стабилен, зачем же использовать еще и RAM? Дело в том, что RAM отличается высокой скоростью. Информацию в оперативной памяти можно модифицировать гораздо быстрее, чем информацию на жестком диске. Вот почему оправданно передавать документ в оперативную память для редактирования и затем отправлять его обратно на жесткий диск для надежного хранения. Часто бывает так: чем стабильнее вещь, тем ее труднее модифицировать.

Стивен Гроссберг, нейробиолог-теоретик, назвал эту взаимозависимость «дилеммой стабильность/пластичность». На нее обращал внимание еще Платон в своем диалоге «Теэтет». Он объяснял огрехи памяти чрезмерной жесткостью или мягкостью «воска на дощечке». Некоторые люди с трудом запоминают новое, поскольку воск у них слишком твердый, и отпечаток на нем оставить нелегко. Другие же испытывают трудности с хранением воспоминаний, поскольку отпечатки слишком легко стираются с их чересчур мягкого воска. Лишь когда воск не слишком тверд и не слишком мягок, он способен и хорошо принимать отпечатки, и долго хранить их.

Взаимозависимостью между стабильностью и пластичностью можно объяснить и то, почему мозг использует два хранилища для информации. Подобно данным в оперативной памяти, рисунок импульсов быстро меняется, вот почему они подходят для активного манипулирования информацией в ходе непосредственного восприятия и обдумывания. Но, поскольку эти узоры легко потревожить новыми впечатлениями и мыслями, они пригодны лишь для краткосрочного хранения сведений. Межнейронные связи, напротив, в этом смысле похожи на жесткий диск. Так как эти связи меняются медленнее, чем рисунок пиков, они меньше годятся для активного манипулирования информацией. Однако они достаточно пластичны для записи данных и достаточно стабильны для их длительного хранения. Гипотермия (охлаждение) гасит нейронную активность, подобно тому как отключение тока стирает оперативную память вашего компьютера. Межнейронные же связи остаются в неприкосновенности, так что долговременная память в результате не страдает. Но недавно приобретенная информация при этом теряется, поскольку она еще не успела перейти из формы активности в форму связей.

Способна ли взаимозависимость стабильности и пластичности также помочь нам понять, почему мозг иногда использует в качестве средства накопления воспоминаний рекомбинацию связей, а не только ИСВ? Благодаря хеббовской пластичности пикообразование в нейронах постоянно увеличивает силу синапсов. Следовательно, сила синапса не так уж постоянна, а значит, и воспоминания, сохраняемые путем изменения синаптического веса, тоже могут оказаться не такими уж стойкими. Вероятно, именно поэтому воспоминания о том, что вы ели вчера на обед, наверняка скоро потускнеют. В то же время само существование синапса может оказаться стабильнее, чем его сила. Воспоминание, сохраненное посредством ИСВ, можно стабилизировать с помощью рекомбинации связей. Скорее всего, так и происходит с информацией, которая не покидает нас всю жизнь (пример – ваше имя). Нестираемые воспоминания, видно, меньше зависят от необходимости поддерживать силу синапсов на постоянном уровне, но больше определяются необходимостью поддерживать само существование нужных синапсов. В качестве более стабильного, но менее пластичного мнемонического средства рекомбинация связей может удачно дополнять изменение синаптического веса.

Эта глава – смесь эмпирических фактов и теоретизирования. Причем, боюсь, последнего в ней больше. Нам точно известно, что в мозгу действительно происходит ИСВ и рекомбинация связей. Однако не вполне ясно, возникают ли в результате этих явлений клеточные ансамбли и синаптические цепочки. Да и вообще трудно доказать, что эти явления как-то вовлечены в процесс накопления и сохранения воспоминаний.

Один из перспективных методов такого доказательства – искусственным образом «отключить» хеббовскую синаптическую пластичность у подопытных животных, с помощью лекарств или генетических манипуляций влияя на соответствующие молекулы синапсов и затем изучая поведение этих животных, понять, пострадала ли в результате их память и если да, то как именно. Подобные эксперименты уже дали удивительные и многообещающие свидетельства в пользу основных положений коннекционизма. К сожалению, эти свидетельства – лишь косвенные и предположительные. Их интерпретация затруднена, поскольку не существует идеального способа избавиться от хеббовской пластичности, не породив при этом нежелательные побочные эффекты.

Нижеследующая история – моя попытка проиллюстрировать те трудности, с которыми сталкиваются нейробиологи, эмпирически проверяющие мнемонические теории. Предположим, вы – прилетевший на Землю инопланетянин. Земляне кажутся вам уродливыми и жалкими существами, но вам все-таки любопытно узнать о них больше. В ходе своих изысканий вы следите за одним определенным человеком. В кармане он носит записную книжку, время от времени доставая ее и делая в ней какие-то пометки ручкой. Иногда он вынимает книжку, раскрывает и, бросив на нее беглый взгляд, снова убирает в карман.