Месяц назад американский стартап Kernel объявил о начале разработки имплантата для улучшения памяти и обучаемости людей с нарушениями этих функций — например, при болезни Альцгеймера. Научным руководителем проекта стал Теодор Бергер (Theodore Berger) из Университета Южной Калифорнии, который предложил модель активации нейронов гиппокампа в процессе восприятия и запоминания информации, а также показал возможности целенаправленно стимулировать такую активность в гиппокампе мышей и даже приматов.
В Kernel Бергер займется созданием «гиппокампальных протезов» для людей, нуждающихся в них. О его работе мы поговорили с нейрофизиологом из Центра нейроинженерии Университета Дьюка Михаилом Лебедевым.
Прежде чем разбираться с механизмом работы возможного «протеза памяти», давайте разберемся с самой памятью. Есть нейроны, есть синапсы, контакты между ними, и чем чаще синапсы проводят возбуждение, тем легче они срабатывают впоследствии. Эта пластичность синапсов как бы и является памятью. Но этим картина не исчерпывается. Что нам на сегодняшний день твердо известно о механизме кодирования памяти на более высоком, чем синапс, уровне?
Историю с синапсами «придумал» Дональд Хебб, и он же «придумал» более высокий уровень, получивший название нейронного ансамбля, нейронной сети. По Хеббу, усиление синапса происходит лишь в том случае, если одновременно активируются и один из нейронов, который получает сигнал с синапса, и аксон — нервное волокно «входящего» нейрона. Собственно, так и формируется память: если нейрон «проявляет заинтересованность» и в этот момент получает сигнал, то узел связи укрепляется. Словно производится запись в телефонную книжку. Если впоследствии в нейрон поступит сигнал по этому каналу, то он откликнется с большей вероятностью, так как «помнит о предыдущем разговоре».
Можно вспомнить эксперименты Павлова с собаками, лампочками и звонками, там происходит почти то же самое. Лампочка или звоночек производят сигнал, который приходит к возбужденным едой нейронам. Эти связи укрепляются, и в следующий раз звонка уже достаточно, чтобы собака вспомнила о пище, и у нее потекли слюнки.
Павлов назвал подобное укрепление связей условным рефлексом, подразумевая достаточно простую нейронную сеть. Хеббовский ансамбль гораздо сложнее — это уже нейронная сеть, включающая большое число узлов и связей. Такая сеть использует свои принципы кодирования информации (до сих пор науке неизвестные) и генерирует разные виды активности (например, нейронные осцилляции). Кроме того, одна и та же сеть может хранить много «записей» в самой своей конфигурации. Эти записи достаточно устойчивы к повреждению отдельных элементов — микроинсульт может убить какое-то количество нейронов, но память останется.
Память такого рода часто сравнивают с голограммой, имея в виду, что каждый небольшой участок мозга хранит всю запись, а за счет большого количества участков происходит лишь улучшение детализации этих записей — то есть, практически как в голограмме. Но элементарная основа такой голографической памяти — это все-таки нейроны и синапсы.
Стоит добавить, что в мозге много разных видов синапсов: есть химические синапсы, использующие для передачи нейротрансмиттеры, но есть и электрические, у которых между нейронами передаются ионы — так же, как это происходит при возбуждении сердца. Кроме того, и нейронов существует великое множество, они могут быть возбуждающими и тормозными. Нельзя забывать и о глиальных (вспомогательных) клетках нервной ткани, которые тоже могут играть определенную роль в формировании памяти.
Smithsonian Institution