Память – далеко не единая система внутри нашего мозга. Внутри памяти выделяют несколько разных систем, которые работают параллельно и дополняют друг друга [5]. Это особенно хорошо заметно в случаях, когда нарушение внутри одной из этих систем приводит к тому, что у человека появляются проблемы с каким-то видом памяти, в то время как другие остаются целыми и невредимыми, продолжая работать как ни в чем ни бывало. Конечно, Генри Молисон далеко не единственный пациент, испытывавший проблемы с запоминанием и попавший в поле зрения исследователей, хотя его проблемы с памятью действительно поражают воображение.
После операции Генри больше не мог сохранять воспоминания о том, что с ним происходит, и помнить то, что узнавал, – за это отвечает декларативная память, которую он утратил вместе с гиппокампом. Декларативная память – это все то, о чем можно сказать «я знаю, что…». Мы активируем ее, когда мысленно обращаемся к своей внутренней картотеке произошедших с нами событий и имеющихся у нас сведений, чтобы поведать об этом в разговоре или просто использовать для любой другой цели. В свою очередь, декларативную память разделяют еще на два типа – эпизодическую и семантическую.
К эпизодической памяти относят воспоминания о том, что с нами происходило в течение жизни: обо всех взлетах и падениях, неприятностях и торжественных моментах – они врезаются в нашу память, и мы делимся ими с близкими. Обычно люди легко вспоминают наиболее значимые вехи своей жизни: необычные путешествия, всевозможные «первые разы» (первое свидание, первый секс, первая работа, первое публичное выступление и т. п.), яркие праздники, выпускные, переходы с одной работы на другую, встречи с любимыми, громкие ссоры и трогательные примирения с родными, рождения, свадьбы, похороны – все то, что трогает и заставляет испытывать яркие эмоции.
Семантическая память обычно не так эмоционально заряжена, но не менее важна: сюда относится не то, что мы пережили на собственном опыте, а знания и факты, которые составляют наше представление об устройстве мира. Когда мы говорим о том, что Земля круглая, а шимпанзе и люди имеют общего предка, который жил примерно 10 миллионов лет назад, мы используем именно семантическую память. Этот вид памяти может относиться и к какому-то конкретному эпизоду: например, восстание декабристов, случившееся 14 декабря 1825 года в Санкт-Петербурге, вполне себе событие с конкретной датой и локацией, а не просто знание без определенного времени и места действия. Но такие события не имеют привязки к конкретной точке времени и пространства нашей собственной жизни: мы узнаем о них из каких-то источников, а не переживаем на собственной шкуре.
На стыке семантической и эпизодической памяти иногда выделяют автобиографическую память: сюда относятся личные сведения и факты – фамилия-имя-отчество, дата рождения, адрес и т. п. – и происходившие с нами события, а также устойчивые представления о том, кто мы такие, о собственных ценностях и убеждениях, которыми мы руководствуемся по жизни.
Хотя Генри Молисон полностью утратил способность запоминать события и факты, изучавшие его случай психологи обнаружили, что некоторые виды памяти у него все-таки сохранились. Например, у Генри сохранилась рабочая память, и он нормально справлялся с заданиями, в которых нужно было удерживать в голове определенные данные: например, он мог повторить за исследователем последовательность слов, цифр или букв и удерживать такую информацию до тех пор, пока его не отвлекали.
Рабочая память имеет ограниченную емкость и для эффективной работы требует от человека сосредоточенного внимания. От нее во многом зависят интеллектуальные способности: многие задания из тестов на IQ проверяют в том числе рабочую память. Внутри рабочей памяти выделяют несколько отдельных доменов. Наша способность к мысленным пространственным преобразованиям и работа с формами и фигурами мало пересекается с другими задачами, где мы используем внутреннюю речь (например, когда повторяем про себя нужный текст или номер телефона, высматривая, куда бы записать эту информацию, пока она не исчезла из памяти). Кроме того, есть еще эпизодический буфер – он связывает другие домены рабочей памяти с восприятием и долговременной памятью. В нем могут храниться важные сведения или детали, которые необходимо учитывать во время работы над задачами, собирая все элементы в общую картину. Над всем этим стоит управляющий исполнительный блок, позволяющий перемещать внимание от одного объекта к другому, фокусироваться на важном и игнорировать отвлекающие сигналы, не имеющие отношения к текущей задаче [6].
Когда речь зашла о том, что может запомнить Генри Молисон, несмотря на амнезию, дело не ограничилось рабочей памятью. Оказалось, что, несмотря на неспособность запоминать информацию, Генри не потерял способность учиться. Речь идет о процедурной памяти – способности осваивать новые навыки и после тренировки справляться с определенной деятельностью намного быстрее, чем в первый раз. К величайшему удивлению исследователей, Генри довольно быстро осваивался с управлением джойстиком или зеркальным рисованием (это когда нужно нарисовать объект, наблюдая за движениями руки и линиями только в зеркальном отражении) [4]. Через несколько дней тренировок он действовал гораздо увереннее и практически не совершал ошибок, пока его вновь и вновь просили выполнить одно и то же задание. При этом Генри абсолютно не помнил о том, что уже делал это задание – как ни странно, этого и не требовалось: тело Генри безошибочно выполняло знакомые действия, не особенно-то нуждаясь в том, чтобы сам он мог что-то припомнить о прошлом опыте.
Процедурная память – это второй важнейший тип нашей долговременной памяти, он не зависит от гиппокампа. Это все, о чем можно сказать «я знаю, как…». На самом деле неважно, знаем ли мы о своем умении или нет – оно может появиться и проявляться, даже если бы мы об этом не догадывались, как, например, не догадывался Генри.
Обычно две системы долговременной памяти работают параллельно и почти независимо, благодаря чему нормальный человек все же знает, умеет ли он рисовать, глядя в зеркало, плавать, кататься на велосипеде или управлять посадкой межпланетного модуля, хотя отточенные автоматизированные навыки совершенно не требуют осознанных воспоминаний о том, как и при каких обстоятельствах они появились. Поэтому процедурную память относят к имплицитной (т. е. неявной, неосознаваемой). К эксплицитной же (т. е. осознаваемой, определенной, выраженной, явной) относят декларативную память. Разница в том, насколько для работы памяти важно осознавание: нельзя неосознанно вспомнить первые пять элементов таблицы Менделеева, а вот неосознанно положить ключи на полку и потянуться к выключателю, чтобы зажечь свет в прихожей собственного дома, – еще как. Для выработки навыка осознание не так уж важно (хоть и полезно), достаточно просто день за днем выполнять одно и то же стандартное действие, и навык выработается сам собой.
Глава 13Как работает гиппокамп
Гиппокамп прячется глубоко внутри мозга, и до него не так-то просто добраться, чтобы как следует разглядеть. На рисунке на странице 175 в левом нижнем углу изображен вид головного мозга снизу; в левом полушарии все закрывающие гиппокамп отделы мозга, включая внешние слои височной коры, удалены, чтобы обнажить гиппокамп и расположенное чуть спереди и ближе к середине мозга миндалевидное тело. В правом полушарии темный сегмент показывает примерное расположение участка мозга, который удалили Генри Молисону в обоих полушариях. Сверху на рисунке, показывающем срез мозга, изображен гиппокамп и как он выглядит, если отделить его от окружающих тканей.
Карлу Лешли не повезло: гиппокамп снаружи не увидишь, он расположен с изнанки мозга и спрятан в подворотах височной доли. В поисках места, где формируются воспоминания, Лешли до гиппокампа так и не добрался.
Гиппокамп переводится с греческого как «морской конек»: если развернуть серое вещество и извлечь гиппокамп из его укрытия, действительно, что-то общее у них есть. Гиппокамп – это тоже кора больших полушарий, но, в отличие от основной ее части, это кора старая, а не новая.
Старая и новая кора отличаются по анатомическому строению и количеству слоев нейронов; кроме того, в старой коре гиппокампа преобладают нейроны, которые, единожды возбудившись, легко остаются в таком состоянии довольно длительное время. Поначалу их нелегко «пронять», и чтобы активировать такой нейрон, требуется сразу несколько сигналов, которые достигнут его практически одновременно. Зато, активировавшись единожды, эти нейроны надолго остаются в состоянии повышенной готовности и пропускают даже слабые сигналы, которые до этого проигнорировали бы. За счет этого они легко образуют контуры – внутри них сигнал может циркулировать очень долго, не затихая. Это явление называется долговременной потенциацией и играет важную роль в формировании памяти [7].
У участков коры в мозге, будь она старая или новая, есть своя специализация. Зрительная кора в затылочной доле занимается обработкой визуальной информации, слуховая кора в височной специализируется на звуковой. Сенсомоторная кора в теменной доле отвечает на прикосновения к той или иной части тела. Чем же занимается кора гиппокампа, спрятанная в изнанке височных долей?
Поначалу ответить на этот вопрос было непросто: к тому моменту ученые уже научились вживлять электроды в мозг животных, чтобы записывать активность нервных клеток, но только у обездвиженных животных. Такие записи работы мозга ничего не давали. Чтобы раскрыть загадку гиппокампа, пришлось ждать до 1970-х – именно тогда наконец были изобретены миниатюрные системы с чувствительными электродами, позволяющие записывать активность мозга, пока животное относительно свободно разгуливает по вольеру.
Когда ученые вживили такие чувствительные электроды в гиппокамп крысы, они не обнаружили ничего похожего на устройство записи воспоминаний. Перед ними была довольно совершенная система навигации [8]. Клетки гиппокампа отвечали на то, в какой точке пространства находилась крыса, причем каждая из клеток избирательно реагировала на определенный уголок пространства и замолкала, когда крыса оттуда уходила. Однако, если крысу переносили в новую клетку или вольер, те же клетки заново перераспределяли обязанности и зоны ответственности на новом месте, составляя новую карту местности (на английском языке этот процесс называется remapping – перекартирование).
Без гиппокампа невозможно было бы сформировать долговременные воспоминания. Это открытие двинуло науку о мозге вперед.
Чем пристальнее и дольше ученые изучали гиппокамп и окружающие его зоны, тем больше любопытных подробностей открывалось. Например, оказалось, что, если крысу поместить в колесо и подкармливать каждые 15–20 секунд, но только если она все это время бежит в колесе, в гиппокампе обнаруживаются клетки, отсчитывающие время (в этом случае пространство для крысы никак не меняется).
А еще неподалеку от гиппокампа, в энторинальной коре, ученые нашли целое созвездие нейронов с разными специализациями, которые помогают ориентироваться в пространстве. Во-первых, там обнаружились нейроны решетки: они реагируют, когда животное пересекает узлы воображаемой координатной сетки, наложенной на локацию. У разных нейронов решетки такая виртуальная координатная сетка имеет разный масштаб, благодаря чему энторинальная кора может отслеживать как наши шатания по квартире, так и перемещения на десятки километров.
В какую бы сторону ни двигалось животное, нейроны решетки внутри энторинальной коры будут подавать сигналы через регулярные промежутки, отсчитывая пройденное расстояние с учетом направления движения. Кроме того, там же есть нейроны границы: пока животное перемещается по открытой части, они пассивны, но когда животное подходит к стене вольера или клетки, активируются. Там же есть нейроны скорости, следящие за тем, в каком темпе животное движется из точки A в точку B; нейроны положения головы, которые вносят поправку в навигационные маршруты, когда животное поворачивает голову вправо или влево.
В общем, в гиппокампе и по соседству с ним располагается мощнейший навигационный аппарат, который постоянно мониторит, где находится животное, куда и с какой скоростью направляется, сколько времени прошло и т. п. Отслеживая все перемещения животного, она помогает ему сориентироваться и найти дорогу/составить маршрут из одного места в другое.
Гиппокамп работает в связке с несколькими соседними отделами мозга, включая энторинальную кору. Нейроны места в гиппокампе и нейроны решетки, границы и еще несколько типов клеток отслеживают перемещения крысы по вольеру. Чтобы понять, чем занимается нейрон, ученые накладывают периоды активности нейрона (темные пятна) на карту перемещений животного (серые линии). Таким образом можно получить рецептивное поле для каждого отдельного нейрона, который находится возле контакта электрода в мозге крысы.
И при чем здесь память?
Итак, в поисках памяти ученые нашли в гиппокампе сложно устроенную навигационную систему. А как же воспоминания? Когда удалось провести более сложные эксперименты с одновременной записью работы гиппокампа, выяснилось, что в него попадает не только информация о месте, где находится животное, туда же сходятся все остальные данные, помогающие ориентироваться животному и важные в той или иной ситуации. Если крыс обучали перемещаться по вольеру по запаховым меткам в поисках спрятанных приманок, то в гиппокампе обнаруживалась информация о запахах. Зрительные, слуховые и тактильные сигналы, помогающие животному сориентироваться, достигали гиппокампа и влияли на активность его нейронов [8].
Гиппокамп отвечает за контроль перемещений человека в пространстве и за составления «плана-карты» в незнакомом месте.
По большому счету, навигация и способность сориентироваться на местности, чтобы найти еду, питье или укрытие, избежав при этом встречи с голодными хищниками и любыми другими неприятностями, – это очень важно. Из этого и состоит подавляющая часть жизни обычной зверушки, и иметь мозг, способный оперативно составить карту местности и привязать к ней самые значимые стимулы – все источники благ и угроз, которые встречаются в твоей среде обитания, – это очень разумно и полезно. Этим как раз и занимается гиппокамп, отслеживая перемещения своего хозяина в знакомых местах или составляя план незнакомой местности на будущее: мало ли, вдруг пригодится. Гиппокамп отслеживает наши действия и перемещения, а также то, что в этот момент происходит вокруг, – это и есть ткань воспоминаний, которые мы потом пересказываем друг другу. Все истории, которыми люди делятся друг с другом, те, что легли в основу литературы, театра и кинематографа, состоят из событий, которые происходят с героями: кто куда пошел, с кем встретился, что там сделал и сказал и что из-за этого вышло.
Оказываясь в незнакомом месте, человек сначала мыслит маршрутами. Переехав в незнакомый район или другой город, он первым делом запоминает путь до ближайшей остановки общественного транспорта, в магазин и обратно, из дома на работу, до ближайшей аптеки, парикмахерской, до кафе неподалеку от дома. Однако по мере того как район становится все более знакомым, из отдельных маршрутов начинает формироваться карта: теперь уже не надо идти от автобуса домой и только оттуда в магазин; можно срезать и сразу пройти к магазину через дворы. Иногда, наоборот, есть время и настроение прогуляться, и мы выходим из автобуса раньше, чтобы дорога до дома была длиннее, или идем к дому широкой петлей через парк или сквер. Теперь вместо набора маршрутов у нас в голове есть карта района, где мы живем: она не требует специальной последовательности поворотов, чтобы дойти из точки А в точку Б, можно перемещаться по ней как угодно, прекрасно понимая, где мы находимся в каждый момент времени и где относительно нас находятся все остальные точки притяжения (дом, остановка, сквер, магазин и т. п.).
Похоже, что гиппокамп – идеальное место для формирования карт на основе маршрутов.
И это касается не только тех карт, о которых шла речь выше. Гиппокамп умеет создавать когнитивные карты, увязывая вместе элементы разных событий и вычленяя общие связи и закономерности [9]. Скорее всего, именно таким образом на основе эпизодических воспоминаний формируются знания, которые составляют семантическую память: вычленяются важные повторяющиеся паттерны/связки в информации, с которой мы сталкиваемся день за днем [10]. Если я переезжаю на улицу Ленина – это эпизодическое воспоминание, но вот проходит неделя или месяц, и теперь в моей семантической памяти появляется новый факт: теперь я живу на улице Ленина. Или я люблю фильмы о дикой природе и читаю книги Джеральда Даррелла[39], регулярно хожу в зоопарк и биологические музеи, и знание о том, что слоны живут в Африке и Индии, белые медведи – в Арктике, а пингвины – в Антарктиде, спустя какое-то время кажется мне самоочевидным. Обстоятельства каждого из отдельных эпизодов чтения книг и просмотра фильмов стираются, остается только то общее, что дополняет нашу картину мира новыми знаниями и фактами.
В истории науки часто бывает так, что сначала появляются теории, а возможность проверить их на практике представляется гораздо позже. В нейробиологии такое тоже есть: сначала мыслители придумали термины для следов, которые память оставляет в мозге, и только многие годы спустя ученым удалось обнаружить в нем то, о чем теоретизировали мыслители прошлого.
О том, что память о каком-то событии должна оставлять в ткани мозга физический след, люди спорили очень давно, а на рубеже XIX–XX веков биолог и теоретик Рихард Земон предложил термин «энграмма», чтобы обозначить «стойкое, хотя изначально скрытое изменение возбудимой субстанции, производимое стимулом» [2]. Он полагал, что каждое памятное взаимодействие с окружающим миром оставляет в нервной системе физический след. Именно его пытался обнаружить Карл Лешли, обучая крыс ориентироваться в лабиринте и стараясь затем разрушить этот навык точным воздействием на ту или иную область в мозге. Однако в то время биологи не располагали инструментами, которые помогли бы им обнаружить те крохотные следы, которые оставляет пережитый опыт в ткани мозга. Единственный доступный вариант – действовать грубой силой, разрушая целые популяции нервных клеток в разных областях мозга, – оказался не слишком эффективным.
Потребовалось целое столетие, чтобы разработать и применить методы, которые помогли бы найти энграмму, не вызывая масштабных разрушений в нервной ткани. Сейчас ученые используют сложные молекулярные технологии, позволяющие помечать клетки, активные в определенный момент времени, а затем находить их, отслеживать работу или избирательно менять их активность.
Новый подход оказался очень действенным: ученые смогли увидеть, что, когда животное обучается какой-то задаче, активируется определенная, сравнительно небольшая группа нейронов, расположенных в разных уголках его мозга. Когда мышь запоминает набор необходимых действий, связи между этими клетками укрепляются: нейроны формируют слаженный ансамбль. Если спустя некоторое время активировать этот нейронный ансамбль, мышь начнет действовать так, как ее обучили; если же, наоборот, специально подавить работу именно этих клеток, мышь будет вести себя так, словно все забыла. Эти клетки, их связи и особенности активности и представляют собой энграмму, сохраняющую воспоминание о конкретном опыте животного: если разрушить эти клетки, мышь забывает именно кодируемую ими задачу, но помнит другие, каким обучалась, даже если задачи довольно похожи.
Энграмма – это не совсем воспоминание; скорее это инфраструктура внутри мозга, позволяющая при необходимости извлекать воспоминания из памяти. Пока мы заняты другими вещами, нейроны, составляющие энграмму, остаются неактивными. Воспоминание представляет собой пробуждение такого ансамбля, открывая возможность поменять связи внутри энграммы; затем она опять становится неактивной [11].
По мере того как воспоминания «взрослеют», теряя детали и подробности, они становятся все более схематичными – энграмма превращается в схему, а эпизодическая память о событиях постепенно превращается в семантическую.
Термин «схема» появился в самом начале XX века для обозначения структуры, которую люди используют, чтобы организовать свои текущие знания и обеспечить основу для понимания в будущем. Этот же термин применялся для того, чтобы объяснить, как дети выучивают закономерности в окружающем мире, изменяя схемы или встраивая новые факты в уже существующие [12].
Схемы – это сеть сформированных воспоминаний, которые помогают быстро усваивать новый опыт, но только в том случае, когда он соответствует тому, что мы уже знаем [13]. Можно представить схемы как уже собранные фрагменты головоломок, которые составляют нашу картину мира. Получая новую информацию, мы пытаемся присоединить новый кусочек к уже существующим схемам, чтобы достроить картину. Когда это удается, встроенной в схему информации есть за что цепляться и меньше шансов, что она сразу же вылетит из головы.