Структура и принципы функционирования человеческой памяти

Человеческая память состоит из трех основных составляющих: сенсорная память, рабочая память и долговременная память. Сенсорная память сохраняет информацию о восприятии внешнего мира на короткое время, рабочая память предназначена для хранения информации в течение нескольких секунд, а долговременная память обеспечивает сохранение информации на длительный срок.

Принцип работы памяти основан на кодировании, сохранении и извлечении информации. Кодирование происходит при восприятии информации, сохранение — при ее закреплении в памяти, а извлечение — при воспроизведении сохраненной информации.

В следующих разделах статьи мы рассмотрим более подробно каждую составляющую памяти, узнаем об основных типах памяти и их характеристиках, а также посмотрим на методы улучшения памяти и тренировки мозга. Не пропустите увлекательные факты о человеческой памяти и секреты ее работы!

Согласно исследованиям ученых, мозг человека способен сохранить до 1 миллиона гигабайт информации. Ознакомьтесь с материалом о структуре человеческой памяти и ее особенностях.

Иногда мы желаем вспомнить все детали определенных событий из нашей жизни, но не можем этого сделать, несмотря на огромный объем нашей памяти. На самом деле, наша память не запоминает все события прошлого, и заставить ее сохранить большие объемы информации — нетривиальная задача.

К сожалению, открыв черепную коробку, нельзя извлечь из мозга какую-то серебристую субстанцию, как в «Гарри Поттере», чтобы она рассказала историю восьмилетней давности о заказе пиццы. К тому же, вероятно, ты сам ее не вспомнишь, если она не была какой-то легендарной.

Мозг — самый малоизученный орган человека. Ученым не так уж много известно о механизмах памяти, о снах и воображении. Например, почку можно разрезать и изучить, как она функционирует, а с мозгом такой эксперимент не будет столь успешным.

Сложные мозговые связи отвечают за функцию памяти человека. Все наши трагические и радостные события «происходят» в синапсах — связях между нейронами, где во время синтеза белка из аминокислот возникают электрические или химические реакции.

Кроме того, различные воспоминания могут быть зафиксированы в различных областях мозга, что усложняет процесс отслеживания всех этих сигналов. Для обычного человека без специального образования это будет сложно понять, поэтому я сейчас расскажу более простыми словами не о деталях, а об основном принципе запоминания информации.

Механизмы и принципы работы памяти головного мозга человека

Анализ публикации материала американских неврологов о измерении емкости памяти головного мозга человека, опубликованной днем ранее на GeekTimes, послужил поводом для написания данной статьи.

В данной статье я постараюсь разъяснить механизмы, особенности, функциональность, структурные взаимодействия и особенности работы памяти. Также я объясню, почему нельзя проводить аналогии с работой компьютеров и использовать их язык для измерения мозговой активности. В статье я использовал материалы, взятые из трудов ученых, посвятивших свою жизнь изучению цитоархитектоники и морфогенетики, которые были подтверждены на практике и имеют результаты в доказательной медицине. В частности, я использовал данные ученого Савельева С.В. — эволюциониста, палеоневролога, доктора биологических наук, профессора, заведующего лабораторией развития нервной системы Института морфологии человека РАН. Прежде чем мы перейдем к рассмотрению вопроса и проблемы в целом, мы сформулируем базовые представления о мозге и дадим пояснения, позволяющие полноценно оценить представленную точку зрения.

Важно понимать, что мозг человека является очень изменчивым органом, который различается не только у мужчин и женщин, но и у представителей различных расов и этнических групп. Эта изменчивость проявляется как в количественных (масса мозга), так и качественных (структура борозд и извилин) характеристиках. В различных вариациях эти различия могут быть более чем двукратными.

Кроме того, мозг является самым энергоемким органом в человеческом организме. При своем относительно небольшом весе (всего 1/50 от массы тела) он потребляет 9% всей энергии организма в покое и до 25% при активной умственной деятельности, что создает огромную нагрузку на организм.

Благодаря своей высокой энергоемкости, мозг хитер и избирателен. Любой процесс, требующий больших энергетических затрат, будет сдерживаться мозгом, потому что он стремится экономить ресурсы организма, поддерживая только необходимые биологические процессы.

Три ключевых момента для анализа механизмов памяти

Есть несколько основных моментов, которые необходимо учитывать при анализе механизмов и процессов памяти человека. Это только частичный список особенностей мозга, на которые стоит обратить внимание.

Что такое память? Память — это функция нервных клеток. Она не имеет отдельного пассивного местоположения и не требует большого количества энергии, что является предметом интереса физиологов и психологов. Сторонники идеи нематериальных форм памяти опровергаются печальным опытом клинической смерти, когда мозг перестает получать кровоснабжение и воспоминания исчезают необратимо через приблизительно 6 минут после смерти. Если бы у памяти был источник энергии, она могла бы восстановиться, но этого не происходит, что подчеркивает ее динамичность и постоянные энергозатраты на поддержание.

Следует помнить, что большинство нейронов, ответственных за запоминание информации у человека, находятся в неокортексе. В неокортексе содержится около 11 миллиардов нейронов, что значительно превышает количество глии. (Глия — это разновидность клеток нервной системы, служащая средой для нейронов и обеспечивающая защиту и поддержку. Метаболизм глиальных клеток тесно связан с обменом веществ нейронов, которые они окружают.)

Синапсы, соединения между нейронами:

Известно, что информация хранится в памяти на разное время, существуют понятия долговременной и кратковременной памяти. События быстро забываются, если их не обновлять и не повторять, что подтверждает динамичность памяти. Информация сохраняется определенным образом, но исчезает в отсутствие спроса.

Как уже отмечалось, память зависит от энергии. Без энергии нет памяти. Из-за этой зависимости память нестабильна в своем содержании. Воспоминания о прошлом могут искажаться со временем до полной неадекватности. Времени для памяти не существует, но его заменяет скорость забывания.

Запомненная информация уменьшается пропорционально времени. Через час забывается половина, через сутки – две трети, через месяц – четыре пятых.

Давайте рассмотрим принципы работы памяти, опираясь на биологическую целесообразность результатов ее функционирования. Физические компоненты памяти составлены из нервных путей, объединяющих одну или несколько клеток. В них включены зоны постепенного и активного проведения сигналов, разнообразные системы синапсов и тел нейронов. Представим, что произошло событие или явление.

Человек столкнулся с новой, но достаточно важной ситуацией. Через определенные сенсорные связи и органы чувств человек получил разнообразную информацию, проанализировал событие и принял решение. В результате человек остался доволен. В нервной системе осталось некоторое возбуждение – перемещение сигналов по сетям, которые использовались при решении проблемы.

Это так называемые «старые цепи», которые существовали до ситуации, когда необходимо было запоминать информацию. Поддержание циркуляции различных информационных сигналов в рамках одной структурной цепи чрезмерно затратно с энергетической точки зрения. Поэтому обычно затруднительно сохранить новую информацию в памяти. Во время повторных или похожих ситуаций могут возникать новые синаптические связи между клетками, и в этом случае полученная информация запоминается на длительный срок. Таким образом, запоминание — это сохранение остаточной активности нейронов в участке мозга.

Память мозга — это вынужденная компенсаторная реакция нервной системы. Любая информация временно сохраняется. Поддержание стабильности кратковременной памяти и восприятие сигналов из внешней среды очень затратны с энергетической точки зрения. К тому же те же клетки получают новые возбуждающие сигналы, накапливаются ошибки передачи информации, и происходит излишнее расходование энергетических ресурсов.

Тем не менее, ситуация не такая уж и плохая. У нервной системы есть долговременная память, которая часто искажает реальность и делает исходные объекты неузнаваемыми. Степень изменения хранимого объекта зависит от времени его хранения. Она сохраняет воспоминания, но изменяет их так, как хочется ее обладателю.

Основу долговременной памяти составляют простые и случайные процессы. Нейроны создают и разрушают свои связи на протяжении всей жизни. Синапсы непрерывно формируются и исчезают. Приблизительные данные показывают, что этот процесс спонтанного образования нейронных синапсов может происходить у млекопитающих примерно 3-4 раза в 2-5 дней.

Редкие случаи ветвления коллатералей, содержащих множество разнообразных синапсов, происходят не так часто. Новая коллатераль полисинаптического типа формируется за 40-45 дней. Поскольку эти процессы происходят в каждом нейроне, можем предположить, что ежедневная емкость долговременной памяти для любого животного может быть оценена вполне точно.

Можно предположить, что в коре мозга человека ежедневно образуется около 800 миллионов новых связей между клетками и приблизительно столько же разрушается. Долговременная память включает в себя присоединение участков с абсолютно новыми, ранее неиспользованными, контактами между клетками. Чем больше новых синаптических контактов участвует в сети первичной (кратковременной) памяти, тем больше шансов у этой сети на сохранение на долгий срок.

Получение и утеря информации. Временное хранение инфо происходит на основе уже имеющих привязок. Её начало отмечено оранжевыми стрелками на части б. Через одни и те же пути протекают сигналы, содержащие как прежнюю (фиолетовые стрелки), так и новую (оранжевые стрелки) информацию.

Этот процесс приводит к возникновению высоких затрат на энергию и кратковременному хранению новых данных на основе старых связей. Если информация не является значимой, затраты энергии на ее поддержание снижаются, и происходит забывание.

При сохранении «кратковременной», но важной информации происходит формирование новых физических связей между клетками на основе фрагментов а-б-в. Это приводит к долгосрочному запоминанию благодаря использованию новых связей (желтые стрелки). Если информация длительное время остается невостребованной, она вытесняется другой информацией. При этом связи могут обрываться, и происходит забывание по фрагментам в-б-а или в-а (голубые стрелки).

Из предыдущего высказывания следует, что мозг — это динамичная структура, постоянно изменяющаяся и имеющая определенные физиологические ограничения. Кроме того, мозг потребляет излишне большое количество энергии. Мозг не подчиняется физиологическим закономерностям, а скорее морфогенетичен, поэтому его активность некорректно и неправильно измерять с использованием систем, применяемых в информационных технологиях. Из-за индивидуальной изменчивости мозга невозможно делать обобщающие выводы о различных функциональных показателях мозга человека. Математические методы также не применимы для расчета структурного взаимодействия в работе человеческого мозга из-за постоянного изменения, взаимодействия и перестройки нервных клеток и связей между ними, что, в свою очередь, приводит к абсурду в работе американских ученых в исследовании объема памяти мозга человека.

Сохранение

Еще одной функцией памяти является сохранение информации. Важно не только усвоить знания, но и сохранить их. Срок сохранения информации зависит от различных факторов. Прежде всего, осмысленность запоминания влияет на сохранение информации. Если человек учит бессмысленные данные, ему будет трудно их запомнить.

Кроме того, качество сохранения информации зависит от повторения. Вы, наверное, помните из детства поговорку «Повторение — мать учения»? Она как раз о том. Человек может повторять информацию различными способами: зубрить, устанавливать ассоциации, создавать связи.

Сохранение информации в памяти — это организация размещения информации на «полках» памяти. Человек знает, где расположена та или иная информация. Если человек способен запоминать узнанное, значит, он способен учиться.

Возможно ли вспомнить то, что еще не произошло? Узнайте в статье «Память о предстоящем»

Чем глубже усвоен урок, тем дольше он сохранится в памяти человека.

Воспроизведение

Этот процесс воспоминания также известен как процесс памяти. В ходе этого процесса человек извлекает информацию из своей долговременной памяти и переносит ее в оперативную память. В результате этого в его сознании возникают образы, основанные на запомненной информации.

Человек способен вспомнить всё или только часть информации. По степени полноты воспроизведения этот процесс может быть полным или частичным. Кроме того, воспоминание может происходить непроизвольно или намеренно.

Вспоминание может быть сознательным или неосознанным. В процессе воспоминания можно выделить два различных подхода. Это узнавание и припоминание.

Узнавание — это когда у человека возникает ощущение, что он уже видел или знает что-то, когда он снова сталкивается с этим объектом. Узнавание помогает людям ориентироваться в окружающем мире и соединять собственный опыт с различными вещами. Генетически узнавание является ранней формой памяти.

Припоминание — это осознанный процесс, который требует усилий. Как правило, припоминание происходит благодаря узнаванию и использованию различных методов. Например, с помощью ассоциаций, которые помогают найти и извлечь необходимую информацию из долговременной памяти.

Поскольку припоминание требует гораздо больше усилий, чем узнавание, оно занимает меньше места в человеческой памяти.

В своё время я смотрел фильм «Джонни-мнемоник» с Киану Ривзом в главной роли. Там он вживлял флешку в свой мозг, чтобы хранить огромные объемы информации. Круто же было бы запоминать всё так легко! А вот Шерлок Холмс сравнивал память с чердаком. Если туда складывать всё подряд и хранить годами, то потом будет сложно найти нужную информацию, а может быть, и не удастся найти вообще.

Поэтому Холмс запоминал только то, что было нужно для его работы.

Сегодня нам даже неизвестно, что такое память во времени и пространстве. В отношении пространства до сих пор неясно, как она организована и где именно в мозге находится. Согласно научным данным, можно предположить, что её элементы присутствуют повсюду, в каждой области нашего «серого вещества».

Кроме того, информация, казалось бы, может быть сохранена в разных частях памяти.

Например, исследования показывают, что пространственная память (когда мы запоминаем место, которое видим впервые — комнату, улицу, пейзаж) связана с определенной областью мозга, называемой гиппокампом. Но если мы попытаемся вспомнить это место через десять лет, то эта информация будет извлечена из совершенно другой части мозга.

Да, внутри мозга возможно перемещение памяти, как показывает эксперимент с цыплятами. Импринтинг, мгновенное обучение, играет важную роль в жизни только что вылупившихся цыплят. Например, цыпленок видит большой движущийся предмет и сразу же «отпечатывает» в мозге: это мама-курица, за ней следовать. Однако, если через пять дней удалить часть мозга, ответственную за импринтинг, то выясняется, что запомненный навык остается. Он перемещается в другую область, что доказывает, что для непосредственных результатов обучения есть одно хранилище, а для длительного хранения — другое.

Получаем удовольствие от запоминания

Удивительно, что мозг не имеет такой же четкой системы перехода памяти, как компьютер. Рабочая память, которая сохраняет непосредственные впечатления, одновременно активирует и другие системы памяти — среднесрочную и долговременную.

Мозг — это система, которая тратит много энергии и поэтому стремится оптимизировать свои ресурсы, включая память. Поэтому природа создала сложную систему. Рабочая память быстро формируется и быстро уничтожается — для этого есть специальный механизм. Но действительно важные события записываются для долгосрочного хранения, их важность подчеркивается эмоциональным отношением к информации.

На уровне физиологии эмоция представляет собой активацию мощных биохимических систем модуляции. Эти системы высвобождают гормональные медиаторы, которые изменяют биохимию памяти в нужном направлении.

Среди них, например, различные гормоны удовольствия, названия которых напоминают скорее о преступной хронике, чем о нейрофизиологии: это морфины, опиоиды, каннабиноиды — то есть вещества, вырабатываемые нашим организмом. В частности, эндоканнабиноиды производятся непосредственно в синапсах — связях нервных клеток. Они влияют на эффективность этих связей и, таким образом, «награждают» запоминание определенной информации. Другие вещества из числа гормональных медиаторов могут, напротив, подавить процесс переноса данных из оперативной памяти в долговременную.

Сейчас активно идет изучение механизмов биохимической поддержки эмоциональной памяти. Однако есть проблема: лабораторные исследования такого рода возможны только на животных. Но насколько лабораторная крыса способна рассказать нам о своих эмоциях?

Когда мы сохраняем что-то в памяти, иногда приходит время вспомнить эту информацию, то есть извлечь ее из памяти. Но это слово «извлечь» не совсем подходит. Похоже, что механизмы памяти не извлекают информацию, а заново генерируют ее. Эта информация не хранится в механизмах, так же как голос или музыка не хранятся в «железе» радиоприемника.

С приемником все понятно — он преобразует принятый на антенну электромагнитный сигнал. Однако, что за «сигнал» обрабатывается при извлечении памяти, где и как хранятся эти данные, пока сложно сказать. Тем не менее, уже известно, что при воспоминании память переписывается заново, модифицируется, или по крайней мере, это происходит с некоторыми видами памяти.

Не электричество, а химия

В поисках ответа на вопрос, как можно модифицировать или даже стереть память, в последние годы были сделаны важные открытия, и появился целый ряд работ, посвященных «молекуле памяти».

Фактически уже двести лет ученые пытаются выделить такую молекулу или хотя бы носитель мысли и памяти, но пока безуспешно. В итоге нейрофизиологи пришли к выводу, что в мозге нет ничего специфического для памяти: есть 100 миллиардов нейронов, 10 квадрильонов связей между ними, и где-то там, в этой огромной сети закодированы память, мысли и поведение.

Были попытки блокировать отдельные химические вещества в мозге, что приводило к изменениям в памяти и работе организма. Но только в 2006 году появились первые работы о биохимической системе, которая, похоже, специфична именно для памяти.

Изоляция её не привела к изменению ни поведения, ни способности к обучению, а лишь к потере части памяти. Например, памяти о ситуации, если блокировщик был введен в гиппокамп. Или о эмоциональном шоке, если блокировщик вводился в амигдалу. Изученная биохимическая система представляет собой белок, фермент с названием протеинкиназа М-зета, который регулирует другие белки.

Одна из основных задач нейрофизиологии заключается в невозможности проведения экспериментов на человеке. Однако даже у простейших животных базовые механизмы памяти сходны с нашими.

Молекула действует в месте синаптического контакта — контакта между нейронами мозга. Здесь важно отметить и пояснить специфику этих контактов. Мозг часто сравнивают с компьютером, и поэтому многие считают, что связи между нейронами, которые создают все, что мы называем мышлением и памятью, имеют исключительно электрическую природу. Однако это не так.

Язык синапсов — химия, именно здесь определенные молекулы, как ключ взаимодействуют с другими молекулами (рецепторами), а затем начинаются электрические процессы. Эффективность и пропускная способность синапса зависят от того, сколько конкретных рецепторов будет доставлено по нервной клетке к месту контакта.

Особенности уникального белка

Протеинкиназа М-зета играет роль в регулировании передачи рецепторов через синапс, что улучшает его эффективность. Когда эти молекулы активируются одновременно в большом количестве синапсов, происходит изменение сигналов и общие характеристики связей между нейронами. Пока неясно, каким образом эти изменения закодированы в памяти, но известно, что блокировка протеинкиназы М-зета приводит к потере памяти из-за неработающих химических связей. У только что обнаруженной «молекулы» памяти есть несколько удивительных особенностей.

Прежде всего, она способна к автопроизводству. После обучения (получения новой информации) в синапсе происходит образование определенного количества протеинкиназы М-зета, которое может сохраняться на длительное время, несмотря на ее разложение за несколько дней. Эта молекула каким-то образом активирует ресурсы клетки для синтеза и доставки новых молекул в синаптический контакт.

Во-вторых, одной из наиболее удивительных особенностей протеинкиназы М-зета является ее способность к блокированию. Когда исследователям потребовалось получить вещество для опытов по блокированию «молекулы» памяти, они просто расшифровали участок ее гена, в котором закодирован собственный пептидный блокатор, и создали его. Однако сама по себе клетка никогда не производит этот блокатор, и цель хранения его кода в геноме остается неясной.

Третья важная характеристика этой молекулы заключается в том, что и сама она, и ее блокатор имеют практически идентичную структуру для всех живых организмов с нервной системой. Это свидетельствует о том, что протеинкиназа М-зета представляет собой древнюю адаптивную систему, на которой основывается память человека и других живых существ.

Молекула памяти, которую искали ученые прошлого, не является протеинкиназой М-зета в обычном понимании. Она не хранит информацию, но является ключевым регулятором связей в мозге, влияя на формирование новых конфигураций в результате обучения.

Эксперименты с блокатором протеинкиназы М-зета в данный момент можно охарактеризовать как «стрельбу по площадям». Вещество вводится в определенные участки мозга животных, выключая память в больших функциональных блоках. Границы проникновения блокатора и его концентрация в участке не всегда определены четко, поэтому результаты экспериментов неоднозначны.

Глубокое понимание процессов, происходящих в памяти, можно получить, изучая работу отдельных синапсов. Однако для этого необходима точная доставка блокатора в контакт между нейронами. В настоящее время это невозможно, но поскольку науке необходимо решить такую задачу, то рано или поздно появятся инструменты для ее решения. Особые надежды связаны с оптогенетикой.

Установлено, что клеткой, в которую внедрена способность к синтезу светочувствительного белка с помощью генной инженерии, можно управлять при помощи лазерного луча. Хотя такие манипуляции на уровне живых организмов пока не проводятся, что-то подобное уже осуществляется на основе выращенных клеточных культур, и результаты весьма впечатляющи.

Память и эмоции

Лучше всего запоминаются те знания, которые вызывают у нас сильные эмоции — будь то восторг или страх. Физиологически, все неприятные вещи требуют запоминания, чтобы избежать их в будущем, в то время как приятные моменты нужно запоминать, чтобы они происходили чаще. Поэтому любые эмоциональные ситуации могут помочь нам усвоить информацию.

• Чаще всего из университета мы помним только те вещи, которые ассоциируются с анекдотами, шутками или личными переживаниями. Нравится преподаватель, происходит что-то интересное на лекции и так далее.
• Если лекция была скучной, то вероятность запомнить что-то из неё снижается. Придется приложить дополнительные усилия.
• Когда лектор обладает харизмой, студенты лучше усваивают предмет.
• Использование рассказов и других эмоциональных приемов в образовательных курсах — это на самом деле хорошо. Кажется, что это больше для детей, но оно также эффективно и на взрослых.