Доколь прощанья час не соизволит грянуть,
Ты веселей скреби свои скрижали, Память!
Мэтью Арнольд (1822–1888), английский поэт и культуролог Викторианской эпохи
Леонард Шелби, главный герой психологического детектива Кристофера Нолана[53] «Помни», страдает неспособностью перемещать кратковременные воспоминания в долговременную память — такая патология, известная как антероградная амнезия, выражается в нарушении памяти о событиях после начала заболевания. Шелби способен помнить события, произошедшие за последние пять минут, а все, что было раньше, из памяти улетучивается. И он вынужден повсюду оставлять себе записки о недавних событиях, а все самое важное — включая миссию найти убийцу своей жены — запечатлевает на теле в виде татуировок (рис. 10.1). Таким образом он общается с самим собой по прошествии времени.
Рис. 10.1. Леонард Шелби с памятками на теле
Guy Pearce in Memento © Summit Entertainment
Все мы немножечко Леонарды Шелби. Правда, с той разницей, что вместо татуировок запечатлеваем критически важные для нас сведения где-я-был-что-делал непосредственно в наших нейронных сетях. Благодаря этому мы, будущие, знаем, что пережили и через что прошли, и поэтому становится ясно, что делать дальше.
Примерно 2400 лет назад Аристотель в трактате «О памяти и воспоминании» (De memoria et reminiscentia) уже делал попытку описать способность к запоминанию и воспользовался аналогией, что память способна воспринимать «формы ощущаемого без его материи», подобно тому как воск воспринимает отпечаток перстня. К сожалению, у Аристотеля не имелось данных, на которые можно опереться, и потому нейронная магия, посредством которой событие внешнего мира запечатлевается как воспоминание внутри головы, более двух тысячелетий оставалась непостижимой тайной.
Только сейчас нейробиология начинает разгадывать ее. Нам известно, что, когда вы узнаёте новый факт (скажем, как зовут вашего соседа), в структуре мозга происходят физические изменения. Нейробиологи десятилетиями пытались разобраться, в чем состоят эти изменения, как они организуются в огромном море нейронов и как их прочитать десятки лет спустя. Благодаря этим усилиям пазл постепенно складывается, хотя многие его фрагменты до сих пор отсутствуют.
Интенсивно изучаются примитивные формы памяти на молекулярном и сетевом уровнях у относительно простых существ вроде голожаберных моллюсков (морских слизней). Почему ученые выбрали именно их? А потому, что у этих созданий нейроны крупные и их, в сравнении с таким сложным организмом, как человек, не слишком много, что облегчает задачи исследователей. Типичный эксперимент проводится так: ученые деликатно тычут палочкой в морского слизня. Он отдергивается. Если повторять тычок каждые 90 секунд, слизень в конце концов перестает реагировать, потому что «помнит»: раздражитель — тычок палочкой — никакого вреда ему не причинил. Затем экспериментаторы сочетают тычок с подачей электрического разряда на хвост слизня, после чего рефлекс отдергивания от простого тычка усиливается: слизень «помнит», что за тычком следовало нечто опасное2.
Подобные эксперименты открыли много нового относительно изменений в мозге на молекулярном уровне; однако животные, позже прибывшие на праздник эволюции (млекопитающие, например), наделены памятью более мощной и сложной, чем память беспозвоночных. Так, люди могут помнить подробности своих биографий. Мы чаще всего помним, о чем когда-то мечтали и что представляли себе. Мы способны помнить пространственные особенности обширных географических регионов, а также усваивать сложные навыки, позволяющие успешно справляться с превратностями коммерческих, социальных и климатических условий. И, что очень удобно, мы умеем забывать несущественные мелочи, скажем где располагался пункт упаковки багажа в аэропорту, откуда мы вылетали две недели назад, или дословное содержание какого-то разговора.
Первое систематическое исследование физических основ памяти у млекопитающих предпринял в 1920-е годы гарвардский профессор Карл Лешли. Согласно его рассуждениям, если он может обучить лабораторную крысу чему-нибудь новому, например преодолевать лабиринт, то мог бы, видимо, в нужном месте стереть этот фрагмент ее памяти, сделав надрез на маленьком участке мозга. Все, что ему оставалось, — отыскать это магическое местечко, изъять его и показать, что крыса утратила воспоминания о правильном маршруте через лабиринт.
Лешли натренировал два десятка особей преодолевать ходы лабиринта. Затем у разных особей надрезал скальпелем кору мозга в разных местах. Дав крысам время оправиться, он снова проверил их на знание прохода через лабиринт, чтобы определить, повреждения в каких участках лишают крыс приобретенного знания.
Эксперимент провалился: все крысы прекрасно помнили, каким маршрутом бежать. Однако провал обернулся долгоиграющим успехом. Лешли сообразил, что память у крыс локализована не на каком-то одном участке коры, а, напротив, широко распределена. Его эксперимент доказал, что в мозге нет отдельной отвечающей за память структуры. Память не хранится в подобии картотечного шкафа, а скорее напоминает распределенные облачные вычисления — примерно так же ваша электронная почта рассеяна по серверам всей планеты, зачастую даже избыточно.
Но тогда каким образом воспоминание — чье-то имя, маршрут лыжной прогулки или фрагмент музыкального произведения — записывается в широко раскинувшиеся сети из миллиардов нейронов? Какой язык программирования переводит область пережитого в область физического выражения?
В XIX веке, еще до появления микроскопии высокого разрешения, господствовало представление, что нервная система, образуемая мириадами пронизывающих тело проводящих путей из нервных волокон, являет собой такую же непрерывную сеть, какую образуют кровеносные сосуды. Данная точка зрения не подвергалась сомнениям до начала XX века, когда Сантьяго Рамон-и-Кахаль пришел к мнению, что мозг представляет собой коалицию миллиардов дискретных структурных единиц — клеток. Следовательно, нервная система — это, образно выражаясь, не магистральное шоссе, а мешанина из множества сообщающихся локальных дорог. Рамон-и-Кахаль назвал свою концепцию нейронной доктриной, за которую в 1906 году удостоился одной из первых Нобелевских премий в области физиологии и медицины (разделив ее с итальянским врачом и ученым Камилло Гольджи). Нейронная доктрина поставила новый вопрос: если клетки мозга изолированы друг от друга, то как они общаются? Ответ нашелся быстро: они соединяются в специализированных участках, синапсах. Рамон-и-Кахаль предположил, что обучение и запоминание могут происходить за счет перемен в силе синаптических связей.
К 1949 году Дональд Хебб уже какое-то время обдумывал эту идею и нашел способ усовершенствовать ее. Он предположил, что если клетка А устойчиво участвует в активации клетки B, то связь между ними усиливается (потенцируется)3. Иными словами, кто вместе возбуждается, те вместе соединяются (см. также главу 3).
В те времена, когда Хебб выдвинул свою гипотезу, экспериментальных доказательств в ее поддержку не существовало. Позже, в 1973 году, двое ученых открыли некое явление, которое могло указывать, что Хебб со своей гипотезой попал в самое яблочко. После стимуляции нервных волокон в гиппокампе они обнаружили усилившийся электрический ответ от принимающей (постсинаптической) клетки. Этот сигнал сохранялся до десяти часов. Исследователи назвали это явление долгосрочным потенцированием, каковое и стало первой демонстрацией изменения силы связей в результате их недавней активности4.
Следующий шаг в исследованиях был очевиден: то, что усиливается, должно обладать и свойством ослабляться. Если синаптическая связь способна потенцироваться, ей требуется и способность подавляться, иначе сеть достигнет насыщения и утратит потенциал сохранять что-то новое. К 1990-м годам удалось показать, что различные манипуляции (например, А возбуждается при отсутствии ответа со стороны B) могут повлечь за собой долговременное подавление, то есть сила связи между двумя клетками ослабнет. Ученые заключили, что найдены физические основы памяти5. В самом деле, мельчайшие изменения в связях способны радикально изменить реакцию сети на выходе. Активность передается по системе на основе происходившего ранее. Если правильно настроить параметры, сеть может создать связи между одновременно происходящими активностями. Идея в том, что такого рода простой механизм может лежать в основе всех ваших жизненных воспоминаний.
Возьмем, например, вашего лучшего друга и его дом. Вид друга запускает в действие одну популяцию нейронов, а при виде дома приходит в действие уже другая. И поскольку, когда вы приходите домой к другу, обе группы одновременно активны, между видом друга и видом дома выстраивается ассоциативная связь; в этом и лежит основа ассоциативного обучения. Когда одно из понятий приводится в действие, оно пробуждает к жизни связанное с ним второе. Но что еще примечательнее, каждое из этих понятий может активировать множество других ассоциаций, скажем воспоминание о ваших разговорах, совместных трапезах или о чем-то развеселившем вас обоих.
В начале 1980-х годов Джон Хопфилд[54] предпринял попытку определить, сможет ли очень упрощенная искусственная нейронная сеть сохранить небольшой набор «воспоминаний»6. Он обнаружил, что если предъявить ей ряд паттернов (например, буквы алфавита) и усилить синапсы между нейронами, которые возбуждаются одновременно, то сеть сможет запомнить паттерны. Каждая буква (пусть это будет Е) запускала конкретное созвездие нейронов, и связь между ними усиливалась. В отличие от Е, буква S будет представлена другим паттерном. Обучив сеть алфавиту, Хопфилд перешел к следующему этапу: предъявлял сети поврежденную версию одного из паттернов (скажем, Е со срезанной верхушкой), и каскад активности в сети приводил к восстановлению ее полного паттерна. Иными словами, сеть сама приводила ущербный паттерн в соответствие уже выработанным предшествующим опытом представлениям о том, как полагается выглядеть паттерну, кодирующему букву Е. Более того, выяснилось, что подобные сети поразительно устойчивы к разрушению: если удалить несколько узлов, распределенная память сети все равно будет способна выдавать «воспоминания». Таким образом, Хопфилд представил мощное доказательство того, что простая искусственная сеть способна хранить воспоминания, что послужило стимулом к многочисленным исследованиям сетей Хопфилда7.