Логіка свідомості. Частина 4. Секрет пам'яті мозку

Коли з нами щось відбувається наш мозок фіксує це, створюючи спогади. Зміни, які при цьому відбуваються з мозком, прийнято називати энграммами або слідами пам'яті.

Цілком природно, що розуміння того, як виглядають сліди пам'яті – основне питання вивчення мозку. Без цього неможливо побудувати жодну біологічно достовірну модель його роботи. Розуміння будови пам'яті безпосередньо пов'язане з розумінням того, як мозок кодує інформацію і як він їй оперує. Все це, поки що, — нерозгадана загадка.

Ще більшу інтригу в загадку пам'яті вносять дослідження по локалізації спогадів. Ще в першій половині двадцятого століття Карл Лешлі поставив дуже цікаві досліди. Спочатку він навчав щурів знаходити вихід у лабіринті, а потім видаляв їм різні частини мозку і знову запускав у той же лабіринт. Так він намагався знайти ту частину мозку, яка відповідає за пам'ять про здобутий навику. Але виявилося, що пам'ять щоразу зберігалася, незважаючи на часом значні порушення моторики. Пацюки завжди пам'ятали де шукати вихід і наполегливо прагнули до нього.



Ці досліди надихнули Карла Прибрама сформулювати популярну теорію голографічної пам'яті. Згідно з нею, аналогічно оптичної голограмі, кожне конкретне спогад не знаходиться в якомусь одному місці кори, а присутня в кожному її місці і, відповідно, кожне місце кори зберігає відразу всі спогади.

У свій час, дуже великі надії в пошуках энграмм зв'язувалися з синаптичної пластичності. Здатність синапсів змінювати свою чутливість давала надію, що через це можна описати всі механізми пам'яті. Уявлення про пластичності синапсів призвело до створення штучних нейронних мереж. Ці мережі показали, як нейрон може навчитися дізнаватися щось загальне для набору спогадів. Але дізнаватися загальне — це зовсім не те ж, що зберігати окремі спогади.

Якщо ви не займайтеся безпосередньо нейронауками, то швидше за все у вас склалося враження, що у нейробіологів є безліч теорій щодо пам'яті, але, мабуть, немає впевненості, яка з них вірна. І так як, швидше за все, ці теорії дуже складні, то про них не особливо розповідають в популярній літературі. Так ось, досі, як не дивно це звучить, немає жодної теорії пам'яті. Тобто, є різні припущення про те, що може бути пов'язане з пам'яттю. Але немає жодних моделей, які б хоч якось пояснювали, як виглядають енграми і як вони працюють.

При цьому накопичені величезні знання про біологію нейронів, про прояви пам'яті, про молекулярних процесах, що супроводжують формування спогадів тощо. Але поглиблення знань не спрощує ситуацію, а тільки ускладнює її. Поки про предмет досліджень відомо не надто багато, зручно фантазувати. Політ фантазії не сильно обмежений рамками знань. Але у міру того, як стають відомі все нові й нові факти, багато гіпотез відпадають самі собою. Придумати нові, які перебували б у згоді з фактами стає все важче.

Коли в науці наступає така ситуація – це вірна ознака того, що де-то в самий початок міркувань закралася фатальна помилка. В свій час Арістотель сформулював закони руху. Він виходив з того, що бачив перед собою. Аристотель сказав, що є два види руху: природний рух та примусове рух. Природний рух, за Арістотелем, притаманне тільки небесному речовині і тільки небесні тіла можуть рухатися без прикладання сили. Всі інші «земні» тіла для руху вимагають докладання сили, інакше будь-який рух рано чи пізно повинно припинитися. Майже дві тисячі років це вважалося очевидною істиною, так як всі інші бачили перед собою те ж саме. Але при цьому, чомусь, нікому за всі ці два тисячоліття не вдалося побудувати жодної працездатною теорії, яка пішла б далі тверджень Аристотеля. І тільки, коли Галілей і Ньютон вказали на прикру помилку Аристотеля, що, мовляв, він забув про силу тертя, виявилося можливим сформулювати відомі нам закони механіки. Потім, правда, був Ейнштейн, але це вже інша історія.

Мені здається, що таким «примусовим рухом», зараз, в нейронауці виступає «нейрон бабусі». По суті, всі основні труднощі з побудовою теорії пам'яті пов'язані з тим, що виявляється дуже важким завданням пов'язати конкретний нейрон, якщо приписувати йому функції детектора якої-небудь властивості, і пам'ять, яка в силу багатьох причин, не повинна бути жорстко прив'язана до певного нейрона.

Далі я покажу, як можуть виглядати енграми для випадку, коли нейрони втрачають своїх «бабусиних» нахилів.

У попередніх частинах був описаний клітинний автомат, що складається з однорідних елементів. Коли в будь-якому місці цього автомата створюється який-небудь візерунок активності від цього місця розходиться фронт хвилі. У кожному місці цього фронту виникає унікальний специфічний, тільки для цієї хвилі візерунок.



Якщо запам'ятати який малюнок створює хвиля, проходячи через яке-небудь місце, то потім можна в тому ж місці відтворити цей же малюнок і запустити з цього місця нову хвилю. В кожному місці, яке на своєму шляху пройде ця нова хвиля, вона буде повторювати візерунок вихідної хвилі.

Якщо скласти словник, що складається з кінцевого числа понять, то кожному поняттю можна зіставити свою унікальну хвилю. Тоді, в будь-якому місці автомата по візерунку проходить хвилі можна буде визначити, яке поняття поширює ця хвиля. І з будь-якого місця можна буде запустити хвилю будь-якого поняття якщо відтворити в цьому місці фрагмент візерунка потрібної нам хвилі.

Плоскому авомату можна додати об'єм.



Проходження хвилі в невеликому циліндричному об'ємі тоді буде виглядати, як показано на малюнку нижче.



Якщо запустити в автоматі інформаційну хвилю, а потім запустити хвилю ідентифікатора. То можна запам'ятати картину умовної "інтерференції цих хвиль. Для цього в кожному місці автомата елементами, за якими пройшла інформаційна хвиля, треба запам'ятати навколишній їхній візерунок хвилі ідентифікатора. Така процедура дозволяє запам'ятати пару «ключ – значення». Якщо згодом запустити в автомат хвилю ідентифікатора спогади, то елементи автомата відтворять візерунок інформаційної хвилі самого спогади.

Запам'ятати інформаційну пару «ключ – значення» можна, як вибірково в будь-якій малій області автомата, так і глобально у всьому просторі автомата. При глобальному запам'ятовуванні інформація надається багаторазово повторюється по всій площі автомата.

Коли інформаційний опис складається не з одного поняття, а з декількох, то передати таке опис по автомату можна, послідовно поширивши інформаційні хвилі цих понять.

У кожному фіксованому обсязі автомата проходження серії хвиль викличе зміну візерунків, кожен з яких можна записати бінарним вектором. Якщо в описі неважлива послідовність понять, то для одного місця автомата бінарні вектори, створювані різними хвилями можна побітно логічно скласти і отримати сумарний вектор опису. Цей сумарний вектор при достатній розрядності зберігає всю інформацію про вхідні в нього поняттях.

Сумарний вектор має високу розрядність і містити велику кількість одиниць. Зменшити кількість одиниць і зменшити розрядність сумарного вектора можна, розрахувавши для нього хеш-функцію.

Ідентифікатор спогади, як і сам опис, може складатися з декількох понять. Тоді і для нього можна обчислити відповідний хеш. При запам'ятовуванні можуть використовуватися не вихідні коди, а отримані хеши.

Раніше було показано, що для реального мозку можливими кандидатами на роль елементів клітинного автомата можуть бути гілочки дендритних дерев нейронів.

Обчислення нейронами хеш-функції дендритних сигналів


Дендритні гілочки утворюють дендритна дерево (малюнок нижче). Гілочки мають тільки парні розгалуження і не утворюють замкнутих циклів.


Моделі реальних нейронів (проект EyeWire)

Спайк нейрона виникає, коли деполяризація мембрани на його тілі в районі аксонного горбика досягає критичного значення. Деполяризація соми, тобто тіла нейрона, відбувається, в основному, за рахунок сигналів від дендритних гілок. Потенційно такими сигналами можуть бути струми, що виникають в дендритних гілочках і дендритні спайки.

За рахунок того, що на шляху до сома сигнали різних гілочок у місцях розгалуження взаємодіють між собою, сигнали, що доходять то тіла нейрона, виявляється якимись функціями сигналів дендритних гілок. Сам мембранний потенціал тіла нейрона виявляється функцією сигналів усіх гілочок його дендритної дерева. Це, до речі, не особливо суперечить класичному уявленню про формальний нейроні. З тією обмовкою, що класичний формальний нейрон є простим пороговим суматором сигналів на синапсах, а ми говоримо про досить хитрою функції сигналів дендритних гілок.

В описаній трактуванні спайк одного нейрона можна сміливо назвати бінарним результатом хеш-перетворення над сигналами його дендритних гілок. Таким чином, можна говорити про те, що вся картина активності нейронів може бути витлумачена, як результат хеш-перетворення активності дендритних сегментах.

Для активації нейрона вся активність, яка виникає на дендритном дереві повинна укластися в невеликий часовий інтервал, що становить кілька мілісекунд. Якщо припустити, що за такий інтервал і формується загальна картина дендритних активності, що виникає після проходження всіх хвиль складного опису, то спайки нейронів ідеально підходять на роль хешу, пов'язаного з картиною, що виникла на дендритних сегментах.

Для запам'ятовування через інтерференцію патернів необхідно дві хвилі: хвиля ідентифікатора і хвиля значення, тобто інформації, що зберігається. У реальному корі ці хвилі можуть поширюватися одночасно. При цьому, ідентифікатор сам може бути достатньо складним описом. Можна припустити, що в корі хеш для інформації і хеш для ідентифікатора можуть формуватися одночасно, але різними нейронами. В принципі, ці нейрони можуть бути нейронами різних типів. Найпоширеніші нейрони кори – це пірамідальні і зірчасті нейрони. Може так виявитися, що, наприклад, активність пірамідальних нейронів кодує хеш-функцію для інформації, а активність зірчастих хеш-функцію для ідентифікаторів спогадів.

Обрані точки дендрита


Ми прийшли до того, що в кожному місці кори поточна інформація може кодуватися поєднанням активності розташованих в цьому місці нейронів. Сукупну миттєву картину їх спайків при цьому можна сприймати, як хеш-функцію від відповідної цим нейронам дендритних активності.

У клітинному автоматі для запам'ятовування було потрібно, щоб кожен елемент автомата бачив і міг запам'ятати фрагмент хеш-коду, достатньої довжини. Хвиля ідентифікатора вказувала, які елементи повинні запам'ятовувати, а серія інформаційних хвиль формувала сумарну картину активності елементів з якої виходив той самий хеш-код, який вони повинні були запам'ятовувати.

У аналогією з мозком це означає, що кожна дендритная гілочка повинна бачити активність оточуючих її нейронів і повинна мати можливість її вибірково запам'ятати.

Якщо врахувати, що ми хочемо, щоб одна гілочка могла запам'ятати не одну і не дві, а тисячі або мільйони різних комбінацій активності нейронів, то завдання стає дуже цікавою.

Досі ми, в основному, говорили про дендритних дерев нейронів, тепер подивимося на їх аксони. Отже, основний відсоток нейронів кори доводиться на пірамідальні і зірчасті нейрони. Для аксонів цих нейронів характерні сильно гілкуються колатералі. Велика частина синаптичних контактів аксона припадає на обсяг, розміри якого можна порівняти з розміром дендритної дерева (малюнок нижче). Така геометрія аксона забезпечує те, що сигнал про активності нейрона стає доступний практично всім дендритным гілках цього та інших нейронів, що знаходяться в деякій околиці (радіусом близько 50-70 мкм) цього нейрона.


Структура зірчастого нейрона, лінійка – 0.1 мм (Braitenberg, 1978)

Доступність сигналу слід розуміти в тому сенсі, що для кожної дендритних гілки поблизу він нейрона буде місце, де поблизу від неї пройде аксон цього нейрона. Відповідно, в момент активності нейрона за його аксону поширюється спайк і з усіх синапсів, утворених аксоном, вивільняються нейромедіатори. Частина цих нейромедіаторів за рахунок спиловера, тобто викиду за межі синапсу, може досягти необхідної дендритних гілки.

Взагалі, аксони можуть распрстраняться далеко по корі або за її межі. Але основне розгалуження аксона в більшості випадків припадає на навколишній простір сам нейрон. Середня відстань між синапсами на дендрите 0.5 мкм. Середня відстань між синапсами на аксоне 5 мкм. Кількість контактів на дендритах дорівнює числу контактів на синапсах. Відповідно, сумарна довжина аксона в 10 разів більше сумарної довжини дендрита. На найближче навколишній нейрон простір припадає близько 6000 його синапсів. Це відповідає довжині аксона в 3 сантиметри. Тепер, уявіть, що ці 3 сантиметри покладені в сферу радіусом менше однієї десятої міліметра і ви отримаєте уявлення про характер розгалуження аксона. Поряд з будь-яким сегментом дендрита прохід безліч аксонів сусідніх нейронів, причому деякі наближаються до нього не по одному разу.

Синапси безпосередньо оточують дендритную гілку, як власні, так і просто, що знаходяться поруч, є джерелами внесинаптических нейромедіаторів для цієї гілки. Зобразимо розташування цих джерел вздовж умовного сегмента дендрита (малюнок нижче). Для цього сумісний джерела з дендритом, приблизно дотримуючись їх положення по довжині дендрита. Пронумеруємо навколишні дендрит нейрони. Тоді для кожного джерела на цій гілці можна вказати номер нейрона з навколишнього простору, керуючого цим джерелом. Кожен з нейронів оточення може мати відразу кілька контрольованих джерел, випадковим чином розподілені по дендриту. Позначимо співвіднесення нейронів і джерел на дендритних гілці вектором D з елементами dі, де кожен елемент – номер нейрона, керуючого джерелом.


Співвіднесення оточуючих нейронів і їх контактів на дендрите

Позначимо Nneuron – кількість нейронів оточення і Nsource – кількість джерел для одного сегмента дендрита.
Якщо ми задамося відстанню, на яке поширюються нейромедіатори після спиловера, то зможемо визначити які синапси здатні впливати на вибране місце дендрита. Позначимо через Ncatch кількість джерел, здатних впливати на вибране місце дендрита. Для цих джерел таке місце можна назвати «пасткою».
Тепер припустимо, що кілька нейронів з оточення дендрита дали спайки. Це можна трактувати як сигнал, доступний для спостереження нашому дендритному сегменту. Позначимо Nsig – кількість активних нейронів, створюють інформаційний сигнал. Запишемо цей сигнал бінарним вектором S розмірності Nsource.
Для всіх позицій на дендрите, крім крайніх, можна визначити кількість активних джерел (щільність сигналу), що потрапляють в пастку, за формулою



Наприклад, для сигналу, показаного на малюнку нижче, щільність сигналу у зазначеній синаптичної пастці складе 2 (сума сигналів від 1-го і 4-го нейронів).


Відображення активності двох нейронів оточення на із дендритних сегмент (показана тільки частина зв'язків і нумерації)

Для будь-якого довільного сигналу можна розрахувати яке розподіл густини він створить на дендрите. Ця щільність буде коливатися в діапазоні від 0 до Ncatch. Максимальне значення буде досягатися, коли будуть активні всі джерела, що утворюють відповідну пастку.

Скористаємося значеннями, характерними для реальної кори щури (Braitenberg V., Schuz A., 1998) і, виходячи з них, виберемо орієнтовні параметри моделі:

Довжина секції = 150 мкм (300 синапсів, в середньому 0.5 мкм між синапсами)
Радіус щільного розгалуження дендрита = 70 мкм
Щільність нейронів в корі = 9x104/мм3
Кількість нейронів в оточенні дендрита (Nneuron) = 100
Кількість джерел для дендритної сегмента (Nsource) = 3000
Розміри пастки (Ncatch) = 15
Будемо вважати, що сигнал кодується активністю, наприклад, 10% нейронів, тоді
Nsig = 10
Можна розрахувати ймовірність того, що для довільного сигналу, що складається з Nsig одиниць, знайдеться хоча б одне місце на дендритном сегменті, де сигнальна щільність складе рівно K одиниць. Для наведених параметрів ймовірність приймає наступні значення:


Таблиця ймовірності знаходження хоча б однієї пастки з заданою щільністю. Перший стовпець – необхідну кількість активних джерел в пастці. Другий – імовірність знаходження на дендрите хоча б одного місця, де буде саме така кількість активних джерел

З таблиці видно, що з ймовірністю, близькою до 1 на будь-якому дендритном сегменті для будь-якого обраного об'ємного сигналу знайдеться місце, в якому зійдуться як мінімум 5 аксонів активних нейронів. Це місце дендрита можна вважати обраним по відношенню до вибраного сигналу. Якщо в цьому місці запам'ятати які саме аксони (синапси) були активні, то це дозволить надалі з високою точністю детектувати повторення того ж сигналу.

Точність детектування визначається ймовірністю колізій, тобто ймовірністю того, що в якому-небудь іншому об'ємному сигналі виявляться активні ті ж нейрони, аксони яких зійшлися у обраному місці. Тобто якщо, наприклад, сигнал визначається активністю 10 нейронів із 100 і у обраному місці було зафіксовано поєднання 5 з цих 10 нейронів, то для колізії достатньо, щоб в якому-небудь іншому сигналі саме ці 5 нейронів також виявилися активні.

Позначимо кількість нейронів «спійманих» в пастку, тобто активність яких співпала в обраному місці, через K. Щоб інший сигнал, що складається з Nsig активних нейронів, викликав помилкове впізнавання треба, щоб До його нейронів збіглися з нейронами пастки. Число таких співпадаючих сигналів – . Загальна кількість можливих сигналів — , ймовірність помилки

Для нашої моделі при K=5 ймовірність помилки детектування складе 3,34x10-6, при K=6, відповідно, ймовірність нижче — 1,76x10-7.

Кодування сигналу у обраному місці поєднанням нейромедіаторів


Кожне місце дендрита оточене синапсами, як власними, так і сусідніх дендритів. Ці синапси є джерелами внесинаптических нейромедіаторів. Ті з синапсів, що здатні впливати на вибране місце дендрита утворюють пастку. Середня кількість таких синапсів для довільного місця дендрита — Ncatch. Задамося значенням K, що визначає те, скільки синапсів має бути активно, щоб вважати місце обраним по відношенню до об'ємного сигналу. Видно, що для кожного місця дендрита буде існувати досить багато сигналів, що створюють в цьому місці мінімум K перетинів. Щоб ми могли з високою точністю відстежити повторення шуканого сигналу необхідно не просто зафіксувати факт того, що в обраному по відношенню до цього сигналу місці спрацювало До джерел, а треба ще переконатися, що це саме ті джерела, що відповідають сигналу. Тобто треба по викиду нейромедіаторів зрозуміти не просто скільки синапсів активувалося, а визначити які саме синапси спрацювали на цей раз.

Як ми вже говорили, для більшості синапсів, у момент активності виділяється один «основний» нейромедіатор і додаток до нього один нейропептид або більше ( Lundberg, J. M. 1996. Pharmacol. Rev. 48: 113-178.) (Bondy, C. A., et al. 1989. Cell. Mol. Neurobiol. 9: 427-446). Факт наявності у нейронів мозку великої кількості нейромедіаторів і нейромодуляторов дозволяє припустити, що основна функція такого різноманіття – це створення в момент синхронної активності нейронів у кожному місці простору унікальних поєднань медіаторів та модуляторів. Можна припустити, що додаткові речовини в синаптичних везикулах розподілені по синапсах так, щоб забезпечувати на кожному місці простору максимально різноманітність розподіл. Якщо це так, то детектування певного поєднання активності синапсів зводиться до визначення відповідного цим синапсах унікального набору випускаються речовин.

Таким чином, якщо в обраному по відношенню до певного сигналу місці дендрита помістити детектор, чутливий до поєднання речовин, характерного для цього сигналу, то спрацьовування цього детектора буде з дуже високою ймовірністю говорити про повторення вихідного сигналу.

Тепер ми знаємо, що на кожній дендритних гілочці завжди знайдеться місце, яке виявиться обраним по відношенню до будь-якого сигналу оточуючих нейронів. Нам залишилося зрозуміти, як гілочка дендрита може запам'ятати, що це її обране місце повинне реагувати на певне поєднання нейромедіаторів.

Рецептори нейронів, як елементи пам'яті


Описуючи роботу нейрона, ми говорили, що оточуючі речовини впливають на роботу нейрона через його рецептори. Рецептори бувають ионотропные і метаботропные. Ионотропные рецептори зв'язуються з нейромедиаторами, вивільняється в синапсі, що викликає зміну їх конформації. Конформація молекули – це зміна її просторової структури без зміни самого складу молекули.

Ионотропные рецептори одночасно є іонними каналами. Зміна конформації відкриває іонний канал рецептора, що призводить до переміщення іонів і, відповідно, зміни мембранного потенціалу.

Метаботропные рецептори не мають іонних каналів і діють інакше. Тією частиною, що знаходиться всередині нейрона вони пов'язані з, так званими, G-білками. Коли ці рецептори взаємодіють зі своїми сигнальними речовинами їх конформація змінюється і G-білок відпускається. Це веде до різних можливих наслідків. Одне з можливих наслідків – це відкриття G-білками сусідніх іонних каналів, які досить швидко змінюють локальний мембранний потенціал нейрона. Що, в свою чергу, викликає струми в дендрите і може стати причиною дендритної спайка.


Метаботропный рецептор, мембрана нейрона і G-білок

Метаботропные рецептори, в основному, розташовуються поза синапсів і є мішенями для внесинаптических нейромедіаторів. Рецептори, в основному, об'єднуються в кластери і діють спільно. Кластери метаботропных рецепторів, по суті, є різноманітними детекторами, налаштованими на певні поєднання нейромедіаторів.

Кластери метаботропных рецепторів дуже підходять на роль елементів енграми для нашої моделі. Поруч з кожним синапсом можуть знаходитися сотні таких кластерів. У них заздалегідь випадковим чином складені поєднання рецепторів, потенційно чутливі до багатьох можливим у цьому місці комбінаціям внесинаптических нейромедіаторів, тобто таких нейромедіаторів, які можуть виділитися в зовнішнє середовище з сусідніх синапсів.

Тобто розташовані у великій кількості в кожному місці дендрита метаботропные рецептори можуть бути «заготовками» для майбутніх энграмм. Перехід «заготовок» енграми можна описати так. Припустимо, що кластери рецепторів, що відносяться до якої-небудь дендритних гілці, спочатку неактивні і ніяк не впливають на її роботу. Коли цій гілці вимагає провести запам'ятовування він дає знати про це всім метаботропным рецепторів. Таким сигналом, наприклад, може бути невелика загальна деполяризація мембрани цієї гілки. Як ми говорили вище, десь на цій гілці обов'язково знайдеться обране місце. Тобто місце, де поруч з цією гілочкою виявиться відразу кілька активних синапсів. Якщо в цьому місці гілочки знайдеться кластер з рецепторами, чутливість якого співпаде з коктейлем нейромедіаторів, то цей кластер повинен буде перейти в активний стан і згодом завжди реагувати на появу свого коктейлю. Якщо до цього кластера не впливав на роботу гілочки дендрита, то тепер він повинен буде при появі свого коктейлю створювати збудливий постсинаптический потенціал.

Виявляється, що метаботропные рецептори, дійсно вміють так себе вести. Певні обставини можуть занурювати зовнішні і внутрішні частини рецептора зустрічно в мембрану, позбавляючи рецептор чутливості. Або, навпаки, чутливі частини рецептора можуть бути виштовхнуті з мембрани. В такому чутливому стані рецептор може перебувати якийсь час, потім він може повернутися в початковий стан – це відповідає короткочасній пам'яті. Рецептор може і надовго зафіксувати таке чутливе стан. Якщо складаються сприятливі умови, то починаються процеси адгезії та полімеризації, які можуть залишити рецептор в чутливому стані на дні і тижні. Якщо процес фіксації, який триває, імовірно, близько місяця не перерветься, то стан рецептора зафіксується навічно або правильніше сказати довічно. Все це відповідає різним стадіям консолідації довгостроковій пам'яті.

Механізми, які управляють такою поведінкою метаботропных рецепторів докладно вивчив і описав А. Н. Радченко (Інформаційні механізми мозку, 2007). До речі, Він перший висловив припущення, що саме кластери метаботропных рецепторів з їх конформационными переходами і є елементи энграмм.

Для пам'яті, що ґрунтується на пластичності синапсів, ємність вважається досить просто. Приклад такого розрахунку наведено на головній картинці. Зауважимо, що в нашій моделі ємність памати на дендритах, десь в 1000 разів більше. І це ще не все.

В тій просторовою структурою, що створюється переплетенням аксонів і дендритів працює ідеологія «вибраних місць». Тобто, щоб рецептори «були у справі» їм необов'язково відноситися до того дендриту, якому належить синапс, через який передається сигнал. За рахунок того, що нейромедіатори поширюються в міжклітинному просторі, «у справі» можуть бути будь-які рецептори, просто, геометрично знаходяться поблизу. Причому це, взагалі, не обов'язково повинні бути рецептори, які належать саме нейронів.

Так, гліальні клітини кори, плазматичні астроцити (малюнок нижче), мають набори тих же рецепторів, що й нейрони, а значить, можуть бути учасниками механізмів пам'яті.


Плазматичний астроцит

В корі кількість астроцитів перевищує кількість нейронів. Астроцити кори мають короткі розгалужені відростки. Цими відростками вони охоплюють знаходяться поблизу синапси (малюнок нижче).


Тристоронній синапс (R. D. Fields, B. Stevens-Graham, 2002)

Астроцити спроможні як посилювати реакцію синапсу за рахунок викиду відповідного медіатора, так і послаблювати її за рахунок його поглинання або викиду зв'язують нейромедіатор білків. Крім того, астроцити здатні виділяти сигнальні молекули, що регулюють викид нейромедіатора аксоном. Концепція передачі сигналів між нейронами, що враховує вплив астроцитів, називається тристоронньою синапсом (R. D. Fields, B. Stevens-Graham, 2002). Можливо, що тристоронній синапс – це основний елемент, що реалізує механізми взаємної роботи різних систем пам'яті.

Роль гіпокампа. Інформація в ідентифікаторах. Кільцеві ідентифікатори


У описуваної моделі пам'яті щоб на який-небудь зоні кори могли формуватися спогади крім самої інформаційної картини на неї повинні подаватися сигнали ідентифікаторів спогадів. Так як зони кори виконують різні функції, то доречно припустити, що і ідентифікатори спогадів розрізняються для різних зон або груп зон.
Деякі відомі ділянки мозку в силу своєї специфіки добре підходять на роль джерел ідентифікаторів. Так, верхні горбки четверохолмия можуть бути джерелом ідентифікаторів для зорових зон. Нижні горбки четверохолмия підходять на роль генераторів ідентифікаторів для слухових зон кори. Найбільш показовий орган, пов'язаний з пам'яттю, – це гіпокамп, який добре підходить на роль генератора ключів спогадів для зон префронтальної кори.

У 1953 році пацієнтові, якого прийнято називати H. M. (Henry Molaison), при спробі вилікувати епілепсію було вироблено двостороннє видалення гіпокампу (W. Scoviille, B. Milner, 1957). В результаті у H. M. повністю зникла здатність що-небудь запам'ятати. Він пам'ятав усе, що було з ним до операції, але що-небудь нове вилітало у нього з голови, як тільки перемикалася його увагу. Хто дивився фільм «Пам'ятай» («Memento») Крістофера Нолана, той добре зрозуміє, про що розмова.


Henry Molaison

Випадок H. M. досить унікальний. В інших випадках, пов'язаних з видаленням гіпокампу, де не було такого повного двостороннього руйнування, як у H. M., порушення пам'яті або були не настільки яскраво виражені, або відсутні зовсім (W. Scoviille, B. Milner, 1957).

Повне видалення гіпокампу робить неможливим формування нових спогадів. Порушення в роботі гіпокампу можуть призвести до синдрому Корсакова, який так само зводиться до неможливості фіксувати поточні події при збереженні старої пам'яті.

Досить поширене уявлення про роль гіпокампа зводиться до того, що гіпокамп – це місце зберігання поточних спогадів, які згодом перерозподіляються по простору кори. У описуваної моделі роль гіпокампа інша, він створює унікальні ключі спогадів.

Створені гиппокампом ключі через систему проекцій поширюються на відповідні зони кори. Інтерференція ідентифікаторів гіпокампу та інформаційних описів створює пам'ять. При цьому пам'ять відразу утворюється «на своєму місці» і не переміщається між гиппокампом і корою. Таке подання добре узгоджується з експериментальними даними. Дійсно, видалення гіпокампу робить неможливим нове запам'ятовування, так як зникає генератор ключів спогадів. Старі спогади залишаються недоторканими, так як вже не залежать від гіпокампу. Ідентифікатори можуть бути вилучені і використані без задіяння гіпокампу.

Але головні аргументи на користь пропонованої ролі гіпокампу пов'язані з функціями, які виявлені в гіпокампі і на перший погляд не мають прямого відношення до механізму пам'яті.

У 1971 році Джон о'кіф відкрив у гіпокампі клітини місця (o'keefe J., Dostrovsky J., 1971). Ці клітини реагують подібно внутрішньому навігаторі. Якщо щура помістити в довгий коридор, по активності певних клітин можна буде точно сказати, в якому місці вона знаходиться. Причому реакція цих клітин не буде залежати від того, як вона потрапила в це місце.

У 2005 році в гіпокампі були виявлені нейрони, що кодують положення в просторі, утворюють щось на зразок координатної сітки (Hafting T., Fyhn M., Molden S., Moser M. B., Moser E. I., 2005).

В 2011 році виявилося, що в гіпокампі є клітини, які певним чином кодують тимчасові інтервали. Їх активність утворює ритмічні візерунки, навіть якщо нічого іншого навколо не відбувається (Christopher J. MacDonald, Kyle Q. Lepage, Uri T. Eden, Howard Eichenbaum, 2011).

Зберігання даних у вигляді пар ключ-значення» створює асоціативний масив. В асоціативному масиві ключ має подвійну функцію. З одного боку, він є унікальним ідентифікатором, який дозволяє відрізнити одну пару від іншої, з іншого боку, сам ключ може нести інформацію сильно полегшує пошук. Наприклад, файлова система комп'ютера може розглядатися як асоціативний масив. Значення – це інформація, що зберігається у файлі, ключ – інформація про файл. Інформація про файл – це шлях, який вказує на місце зберігання, ім'я файлу, дата створення. Для фотографій додаткова інформація – геотеги, координати місця, де зроблено знімок. Для музичних файлів – назву альбому та ім'я виконавця. Всі ці дані про файли утворюють складові складні ключі, які не тільки однозначно ідентифікують файли, але і дозволяють вести пошук по будь-якому з полів ключа або будь-якого їх поєднання. Чим докладніше складений ключ, тим гнучкіше виявляються можливості пошуку.

Так як мозок реалізує ті ж інформаційні завдання, що і комп'ютерні системи, то логічно припустити, що зберігання мозком даних у вигляді пар ключ-значення» буде супроводжуватися створення ключів найбільш зручних для пошуку. Для спогадів, з якими має справу людина розумна набір дескрипторів ключа повинен включати в себе:
  • Вказівка місця дії;
  • Вказівка положення в просторі;
  • визначення часу події;
  • Набір понять, які радять основним змістом того, що відбувається. Якийсь аналог ключових слів, що описують зміст статті.
Дуже схоже, що гіпокамп не просто працює з місцем, положенням в просторі і часом, а використовує ці дані для складання складних інформаційних ключів спогадів. Принаймні, це дуже добре пояснює, чому настільки різноманітні функції зійшлися в одному місці. Причому місці, безпосередньо відповідає за формування пам'яті.

Особливий інтерес представляє тимчасове кодування. Людська пам'ять не просто дозволяє згадувати статичні картини, вона здатна відтворювати послідовність сцен із збереженням їх хронології. Відповідно, в систему кодування пам'яті повинна бути закладена така можливість. Було показано, що в гіпокампі є клітини часу, що створюють ритмічні візерунки (Christopher J. MacDonald, Kyle Q. Lepage, Uri T. Eden, Howard Eichenbaum, 2011). Циклічність візерунків наводить на думку, що гіпокамп може використовувати для створення тимчасових полів ідентифікаторів подій ті ж прийоми, що використовує людина для вимірювання часу.

Щоб описати хід часу ми використовуємо годинник і календар. В основі того й іншого лежить кільцеві ідентифікатори. Хвилина складається з 60 секунд. Це означає, що 60 ідентифікаторів послідовно змінюють один одного, причому після 60 секунди знову слідує перша. Аналогічно в годині з хвилинами, годинами доби, днями місяцями, днями тижнями, місяцями в роках, роках в століттях. Тобто кілька кільцевих ідентифікаторів з різною періодичністю дозволяють ідентифікувати будь-який момент часу.



Схоже, що гіпокамп використовує схожу систему тимчасових кільцевих ідентифікаторів, що, власне, і спостерігалося в дослідах. Але, що особливо цікаво, що така система дозволяє не тільки ідентифікувати спогади, але і відтворювати їх послідовність. Якщо ми знаємо правила проходження ідентифікаторів один за одним, то маючи ідентифікатор однієї події ми легко можемо отримати ідентифікатор події, наступного хронологічно за ним і так далі.
Треба зазначити, що кільцеві ідентифікатори зручні не тільки для опису часу, але й для багатьох інших ситуацій.

Те, що ми описали в цій частині, дуже важливо для розуміння роботи мозку, але не містить, поки, ніякої «магії». Так, це показує де може перебувати пам'ять і в якому вигляді вона може зберігатися, але це не говорить нічого про те, як же мозок з легкістю вирішує завдання, непосильні комп'ютера. Комп'ютер, звичайно, може вважати швидше людини, але зате людина здатна розуміти сенс того, що відбувається. У наступній частині я розповім, що взагалі є «сенс» і поступово, стане зрозуміло навіщо нам так довго довелося описувати роботу нейронів і механізми голографічної пам'яті.

Олексій Редозубов

Логіка свідомості. Вступ
Логіка свідомості. Частина 1. Хвилі в клітинному автоматі
Логіка свідомості. Частина 2. Дендритні хвилі
Логіка свідомості. Частина 3. Голографічна пам'ять на клітинному автоматі
Логіка свідомості. Частина 4. Секрет пам'яті мозку
Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.