о результатом. Например, обучаясь игре на фортепиано, мы запоминаем, какие движения пальцев приводят к тем или иным звукам, и постепенно усиливаем связь между искомым звуком и правильным движением. Точно так же работают любые привычки, привязанности и зависимости – все это разные формы памяти, заключающиеся в связи между нужным результатом и подходящим действием.
Пожалуй, лучшей иллюстрацией того, что память не вещь, а связь между вещами, служит язык. Человек, выросший в лесу среди зверей, разговаривать не умеет, так что все, что мы знаем про свой язык, мы тоже когда-то запомнили. На первый взгляд, эта память состоит в связи слов с их смыслом, и это действительно часть знания языка. Мы запоминаем, что слово «мама» связано с видом, звучанием и запахом конкретной мамы. Но из чего у нас в голове состоит слово «мама»? Из двух слогов «ма». То есть для запоминания слова «мама» надо запомнить, что слог «ма» связан с таким же слогом «ма», а не с другим слогом «ра». А слог «ма» можно запомнить либо как связь между частотами и амплитудами колебаний барабанной перепонки, либо как связь между двумя черными символами на белой поверхности (это если мы учим новый язык, уже зная его алфавит).
Любую память можно представить как разветвленную систему гиперссылок, в конечном итоге ведущую к органам чувств. Видеокамера – это как бы глаз, запоминающий изображение на собственной сетчатке. Мы же запоминаем не то, что видят органы чувств, а то, как мозг структурирует эту информацию, соединяя ее в единую систему.
Поэтому неудивительно, что главный физический носитель памяти в мозге – это синапс, который и представляет собой не что иное, как соединение.
С точки зрения нейробиологии главное, что умеет делать морской заяц, – это втягивать части тела в ответ на раздражение. В принципе, все, что мы, исследователи памяти, с ними делаем, сводится к силе втягивания хвостов или жабр. У нас в лаборатории даже есть специальный прибор для раздражения улиточьего хвоста струей воды. Теоретически это зубоврачебный аппарат для чистки зубов, поэтому техподдержка производителя, видимо, считает нас сумасшедшими стоматологами: один из моих коллег поставил на уши всю контору, пытаясь выяснить, сколько силы в ньютонах выдает струя их прибора за 500 миллисекунд.
Плюс аплизии состоит в том, что ее рефлексы просты и настолько хорошо изучены, что между событиями, происходящими внутри клеток, и событиями, происходящими в жизни слизня, установлена прямая взаимосвязь. Втягивание хвоста контролируется двумя нейронами – сенсорным, несущим сигнал от хвоста в мозг, и моторным, несущим сигнал из мозга в хвост. В мозге аплизии два этих нейрона соединены единственным синапсом. Когда мы направляем свою стоматологическую струю воды аплизии на хвост, это активирует в отростке сенсорного нейрона ионные каналы, чувствительные к механическому растяжению мембраны. Волна натрия устремляется в сенсорный нейрон и по его отростку добегает до мозга. От этого сенсорный нейрон выстреливает свой нейромедиатор – в данном случае аминокислоту глутамат – в «принимающие» отростки моторного нейрона. Одного выстрела может быть недостаточно, чтобы моторный нейрон зашевелился, но если струя воды была достаточной силы, то сенсорный нейрон выстрелит сразу очередью, а моторный нейрон «обобщит» эту очередь своим собственным потенциалом действия. Тот пробежит по его отростку обратно в хвост и выбросит там другой нейромедиатор – ацетилхолин – в мышцу, что приведет к ее сокращению.
Все это очень напоминает коленный рефлекс: там тоже один сенсорный нейрон, один моторный нейрон и их синапс в спинном мозге. Доктор бьет под коленную чашечку – нога дергается. Отличие в том, что коленный рефлекс не меняется в зависимости от воли или обучения – в этом весь его смысл для врачей. Аплизия же может втягивать хвост сильнее или слабее.
Если аплизии надоедать струей воды или похожим слабым стимулом несколько раз подряд с небольшими промежутками, то она станет реагировать слабее. Это самая простая форма памяти, какую можно себе представить: в ослабленной реакции на стимул отражается история предыдущих событий. Аплизия помнит, что струя воды не причиняет ей вреда. Если, наоборот, ударить аплизию током, то после этого она какое-то время будет раздражительной, реагируя на струю воды сильнее, чем обычно. Это тоже память: аплизия помнит, что с ней случилось что-то плохое.
Физически эти формы памяти состоят в конфигурации синапса между сенсорным и моторным нейроном. Все, что моторный нейрон знает о происходящем в хвосте, он узнает из этого синапса. А синапсы, как мы установили, могут быть сильными или слабыми. Если синапс слабый, то влияние сенсорного нейрона на моторный тоже слабое. Чтобы вызвать слабым сигналом хотя бы один потенциал действия в моторном нейроне, сенсорному нейрону нужно «стрелять» таким сигналом как из пулемета. Если же синапс сильный (эта сила может различаться в десятки раз), то одного «выстрела» сенсорного нейрона, наоборот, может хватить на целую «очередь» в моторном. Поэтому в зависимости от силы синапса между сенсорным и моторным нейроном одна и та же струя воды, направленная на хвост аплизии, вызывает у нее разную двигательную реакцию.
Что же определяет силу этого ключевого синапса? Изначально она случайна и в среднем одинакова для разных частей тела, например между сенсорным и моторным нейронами головы и между сенсорным и моторным нейронами хвоста. Меняется она в зависимости от частоты, интенсивности и давности использования. От повтора слабого стимула сила временно падает. От мощного стимула сила растет. Это фундаментальное свойство нейронов изменять силу своих синапсов на основании событий, произошедших с ними в прошлом, называется синаптической пластичностью8.
Биологический смысл памяти – это предсказание будущего на основании прошлого, а биологический смысл мышления – предсказание общего на основании частного. Нервная система, снабженная синаптической пластичностью, осуществляет обе эти задачи. Из-за того, что каждый нейрон обобщает слабые сигналы от тысячи других нейронов, пространство информационных возможностей в мозге возрастает до неисчислимых высот. А из-за того, что каждое соединение помнит историю своей деятельности, эти возможности обретают физическое тело, подобно бестелесным генам, когда-то давным-давно возникшим в молекулах нуклеиновых кислот.
Второй по популярности вопрос, который мне задают про аплизий, когда я говорю, что исследую их память, это: «А что, у них есть память?»
Что, собственно, такого странного в том, что у аплизий есть память? Удивительно ведь не то, что аплизия сильнее втягивает хвост, если ее ударить током. Это как раз очень интуитивно понятная реакция. Удивительно было бы, если бы у аплизии была человеческая память – а это как раз и пытается представить себе человек, задающий вопрос.
Аплизии помнят то, что аплизии ощущают. Их сенсорный мир не богаче, чем у дождевого червя, их движения контролируются незамысловатыми цепочками нейронов, поэтому и информационное пространство памяти для них ограничено простыми закономерностями предыдущих событий: сколько раз, с какой силой и с какими промежутками их ткнули в хвост, например.
Люди тоже помнят то, что ощущают. Триллионы синапсов нашего мозга ежесекундно пропускают сквозь себя целые симфонии потенциалов действия, гуляющие по мозгу волнами электрической активности, в которых все наши органы чувств соединяются единой многомерной абстракцией. Наши воспоминания – это слоистая паутина причинно-следственных, эмоциональных, ассоциативных взаимосвязей между событиями прошлого, для хранения которых требуется годами перераспределять силу в бесчисленном количестве синапсов, разбросанных по всей нашей огромной нервной системе, запоминая сначала общие законы реальности, потом язык, а потом – все, что про эту реальность знают окружающие нас люди.
Очевидно, что люди и улитки помнят разные вещи. Но память – процесс запоминания информации – у нас с ними, в принципе, не так уж сильно различается. И у нас, и у них работа мозга заключается преимущественно в выбросе нейронами нейромедиаторов, которые стимулируют другие нейроны. И у нас, и у них запоминание в основном сводится к модификации силы синапсов паттернами стимуляции. Механизмы этого запоминания, многие из которых были впервые показаны на аплизии, предельно похожи на механизмы памяти мышей и других млекопитающих. Наш мозг совсем не похож на мозг улитки. Но, насколько можно судить, молекулярная аппаратура, принимающая участие в работе нейронов и синаптической пластичности, у нас почти идентична.
Если между человеком и аплизией что-то идентично, то почти наверняка оно нами обоими унаследовано от общего предка. Последний общий предок человека и аплизии был, по-видимому, червеобразным существом, ползавшим по морскому дну незадолго до кембрийского взрыва27. Наша с аплизией память работает почти одинаково. Но наши с ней эволюционные тропы разошлись за сотни миллионов лет до того, как животные по-настоящему воцарились в океане и тем более на суше, за целые эпохи до того, как наши предки прошли через тропический лес карбона, пережили динозавров и залезли на деревья.
В этом, пожалуй, самая главная ценность этого животного для меня. Аплизия максимально удалена от человека, оставаясь при этом совершенно стандартным животным. Аплизия – не столько «простое» животное, сколько животное абстрактное, обобщенное, типичное. Оно гораздо типичнее, чем мы. Оно живет в океане, оно обычного размера, обычной скорости, обычной температуры, обычной сложности. Аплизия, в сравнении с человеком, дает мне точку отсчета, заземляет мое представление о собственной природе, постоянно напоминает, что и память, и мышление, и поведение – это вещи относительные, требующие собственной системы координат и потому легко теряемые в наслоениях субъективного, человеческого, личного.
Все в жизни относительно. Относительна боль, относительны воспоминания, относительно сознание. Все это закономерности времени и пространства, паттерны, отраженные в материи, но столь же отдельные от нее, как отдельно содержание книги от его носителя. Даже сами понятия жизни и смерти относительны. Когда я извлекаю из улитки мозг и протыкаю его электродами, можно ли сказать, что улитка мертва? Судя по тому, что мне сообщают электроды, ее мозг об этом не подозревает. А если извлечь из мозга отдельные нервные клетки и соединить их между собой? С их точки зрения ничего не поменяется. А если разделить каждую клетку на молекулы? А если записать химическое строение каждой молекулы в файл на компьютере? Где она, жизнь? Где она, смерть? Все это просто слова, которыми мы разбиваем один хлопок на две ладони.