Почему мы помним. Как раскрыть способность памяти удерживать важное

Мысленные путешествия во времени

Заметную часть XX века в исследованиях памяти царил бихевиоризм – направление мысли, согласно которому память можно свести к простым, экспериментально наблюдаемым связям между стимулами (звуками, запахами, зрительными сигналами) и реакциями (действиями, которые мы совершаем в ответ на стимулы) [39] . В пору расцвета бихевиоризма почти все исследования научения проводились на животных. Будь то крыса, что стремится выбраться из лабиринта, голубь, который клюет за награду, или человек, стремящийся запомнить скучный список триграмм, – все сводилось к одному: научение – простой процесс формирования связей. Любые попытки разобраться в том, как люди понимают и сознательно вспоминают прошлые события, воспринимались как ненаучные и бессмысленные. Разобраться в памяти для бихевиористов значило вывести уравнения, которые позволили бы количественно измерить, как быстро заучиваются и забываются связи в разных условиях. Читать научные статьи того периода – примерно так же весело, как ходить к зубному (не в обиду моему стоматологу, который вообще-то прекрасен).

39

В John Watson 1913 довольно хорошо обобщено то, о чем я здесь говорю.

На этом мрачном фоне в игру вступает Эндель Тульвинг – профессор психологии из университета Торонто, родом из Эстонии. Тульвинг любил рассуждать не только о том, что происходит в экспериментах, но и о том, что творится у людей в головах. В 1972 году он порвал с бихевиористской теорией в революционной статье, где отверг представление о памяти как о хранилище простых ассоциаций и выдвинул вместо него модель, согласно которой у человека есть два вида памяти. Он предложил термин «эпизодическая память» для описания того типа запоминания, что позволяет представить себе и даже заново пережить события из прошлого. Тульвинг предложил отличать эпизодическую память от семантической [40] – способности вспоминать факты и данные о мире независимо от того, когда и где мы получили эту информацию. Главная мысль Тульвинга состоит в следующем: чтобы вспомнить событие (эпизодическая память), нужно мысленно вернуться в определенное место и время, но, чтобы иметь знания (семантическая память), нужно уметь пользоваться выученным ранее в разных контекстах.

40

Tulving 1972.

Тульвинг заявил, что память – не просто клубок связей между стимулами и реакциями, и тем самым полностью отказался от заманчивой простоты бихевиоризма. Позже он пошел еще дальше и назвал эпизодическую память видом «мысленных путешествий во времени», имея в виду, что вспоминание погружает нас в состояние сознания, в котором мы будто переносимся в прошлое [41] . По выражению Тульвинга, ключевое свойство человеческого сознания – «способность мысленно путешествовать во времени, произвольно передвигаясь по тому, что произошло, и тому, что может произойти, – без оглядки на физические законы вселенной». Прочтя это описание впервые, я подумал, что Тульвинг слегка двинулся умом: рассуждения о путешествиях во времени и сознании звучали не слишком научно. Но если приложить немного самонаблюдения, становится понятно, что в этом что-то есть.

41

Tulving 1985.

Предположим, я попрошу вас рассказать, что вам известно о Париже. Вы могли бы начать с того, что это город во Франции, он знаменит музеями и ресторанами, там стоит Эйфелева башня. Вы, пожалуй, будете на 100 % уверены в этих фактах, даже если не сможете вспомнить, когда и где узнали их впервые. А теперь предположим, что я попрошу вас рассказать, бывали ли вы в Париже. Если бывали, то для ответа на этот вопрос вы, вероятно, обратитесь к информации, которая погрузит вас в конкретный опыт: аромат каштанов на жаровне уличного торговца по дороге от вашей гостиницы к метро, очередь к лифту на вершину Эйфелевой башни зябким осенним вечером незадолго до заката, вид с башни на город, когда загораются огни. Дело не в силе или слабости воспоминаний – вы можете с уверенностью вспоминать факты о Париже (семантическая память) и заново переживать поездку в Париж (эпизодическая память), но эти два вида опыта совершенно различны.

Вначале рассуждения Тульвинга звучали для психологов спорно. Но за последующие 50 лет ученые собрали множество свидетельств, подтверждающих его предположения о том, что мы способны перезагружать сознание до состояния, в котором оно пребывало во время события в прошлом. Эпизодическая память – не просто вспоминание: она соединяет нас с мимолетными мгновениями прошлого, которые делают нас теми, кто мы есть сейчас.

Люди – роботы: 1:0

Разница между эпизодической и семантической памятью – основной фактор, позволяющий людям так быстро и эффективно учиться. Одно из свидетельств в пользу этого, как это ни странно, обнаруживается в исследованиях того, какие виды научения особенно трудно даются машинам. Многие продвинутые программы с искусственным интеллектом – от умных помощников вроде Алексы и Сири до прошивки беспилотных автомобилей – основаны на «нейронных сетях» – алгоритмах, которые в абстрактном виде воспроизводят научение так, как оно устроено в мозге [42] . Каждый раз, когда нейронная сеть при тренировке заучивает некий факт, меняются связи между ее смоделированными нейронами. По мере того как сеть выучивает все больше фактов, смоделированные клеточные ансамбли постоянно перекомпоновываются, голосуя уже не за отдельный выученный факт, а отражая целую категорию знания. Так, например, вы можете научить сеть следующему:

42

Нейронные сети были отчасти вдохновлены идеями из статьи нейрофизиолога Уоррена Маккалока и математика Уолтера Питтса (1943), которые смоделировали простую сеть нейронов с помощью электрических схем. Еще один ключевой вклад внес Дональд Хебб (1949), ученый-новатор (и соруководитель Бренды Милнер), который предположил, что воспоминания хранятся в сетях плотно взаимосвязанных нейронов и что это происходит потому, что обучение вызывает систематическое усиление и ослабление связей между определенными наборами нейронов. Основываясь на идеях Хебба, Марр (1971) предложил инновационную вычислительную модель «простой памяти», основанную на биологии гиппокампа. Марр предположил, что гиппокамп может быть необходим для кодирования конкретной информации, а неокортекс может обобщать опыт. В начале восьмидесятых многие психологи, в том числе Джей Макклелланд, Дональд Румельхарт и PDP Research Group (1986), использовали нейронные сети для объяснения многих феноменов обучения. Однако в 1988 году Гейл Карпентер и Стивен Гроссберг указали на значительную проблему, которую они назвали дилеммой стабильности-пластичности. Дилемма заключается главным образом в компромиссе между изучением новой информации и потерей ранее изученного: как создать сеть, которая может обучаться на единичном необычном случае, не теряя всех предыдущих достижений? Майк Макклоски и Нил Коэн (1989) провели ряд симуляций, иллюстрирующих сложность этой задачи, и придумали термин «катастрофическая интерференция». В 1995 году Джей Макклелланд, Брюс Макнотон и Рэнди О'Рейли опубликовали статью, предполагающую, что мозг развил различные «комплементарные системы обучения» для решения дилеммы стабильности-пластичности. В частности, они основывались на предположении Марра (1971) о том, что гиппокамп может быстро учиться на единичных примерах, но не очень хорош в обобщении, тогда как неокортекс учится медленно, но, как и традиционные нейронные сети, хорошо обобщает опыт. Как я расскажу позже в этой книге, авторы предположили, что гиппокамп может «общаться» с неокортексом во время сна, помогая тому учиться быстрее без катастрофической интерференции. Если что, я понятия не имею, почему у стольких людей, на которых я здесь ссылаюсь, фамилии начинаются на «Мак».

«Орел – птица. У него есть перья, крылья и клюв. Он летает».

«Ворон – птица. У него есть перья, крылья и клюв. Он летает».

«Сокол – птица. У него есть перья, крылья и клюв. Он летает».

Со временем компьютерная модель все лучше учится фактам о новых птицах, так как опирается на уже известное. Если сеть узнает, что чайка – птица, клеточные ансамбли могут заполнить пропуски и догадаться, что чайка умеет летать. Но что, если научить ее чему-то другому?

«Пингвин – птица. У него есть перья, крылья и клюв. Он плавает».

Теперь у машины возникнут сложности: пингвин отвечает всем признакам птицы, кроме одного. Пингвин – исключение из правила, согласно которому все птицы летают, так что, когда компьютер выучит исключение, он забудет то, что выучил раньше о признаках птиц. Это называется катастрофической помехой, и для машинного обучения это действительно катастрофа. Решение состоит в том, чтобы учить машину очень медленно: тогда, выучив исключение, она не будет тут же отказываться от правила. Это значит, что для эффективного выполнения задач нейронным сетям нужно очень много тренироваться и им плохо удается быстро приспосабливаться к сложности реального мира. Даже в наши дни самые сложные воплощения искусственного интеллекта нужно тренировать на колоссальных объемах данных, прежде чем они будут способны произвести что-то интересное.

Люди, как и описанные выше нейронные сети, отлично извлекают общие знания из прошлого опыта, так что мы можем делать предположения и допущения о ситуациях в будущем («Это смахивает на птицу, так что можно ожидать, что оно улетит»). Но, в отличие от машин, мы не даем сбой при каждом столкновении с отклонениями, потому что у нас есть еще и эпизодическая память. Она не предназначена для того, чтобы улавливать общее в нашем опыте: она хранит и регистрирует каждое событие по отдельности, благодаря чему вы не путаетесь, когда выучиваете исключение из правила [43] .

43

Исследования с помощью фМРТ и компьютерное моделирование моего однокурсника Брэда Лава показали, что гиппокамп действительно привлекается для изучения исключения из правила. См., например, Love, Medin 1998 и Davis et al. 2012.

Вооружившись эпизодической и семантической памятью, мы можем быстро выучить как правило (большинство птиц летает), так и исключение (пингвины – птицы, которые плавают). В реальном мире это позволяет нам черпать информацию, на которую обычно можно полагаться, – например, оптимальный маршрут на работу, – но оставаться при этом достаточно гибкими, чтобы приспосабливаться к необычным обстоятельствам – например, поехать другим маршрутом, вспомнив, что дороги временно перекрыты из-за строительных работ.

Собрав воедино данные о нейроанатомии, активности мозга, последствиях повреждения мозга у человека и о компьютерных моделях, ученые пришли к выводу, что мозг решает проблему катастрофических помех при помощи систем, которые учатся по-разному. Неокортекс – огромная серая масса мозгового вещества, которую я описывал в первой главе, – работает как обычная нейронная сеть: позволяет нам улавливать факты, будь то знания о птицах или о погоде в Ченнаи в июне. Гиппокамп, надежно запрятанный в сердцевине мозга и тоже упомянутый в предыдущей главе, отвечает за удивительную способность мозга быстро создавать новые воспоминания о событиях, чтобы мы могли быстро усвоить странный опыт, не укладывающийся в рамки прошлых знаний, – например, нежаркий и сухой летний день в Ченнаи.

Коды памяти

Гиппокамп изучают, пожалуй, больше всех прочих областей мозга. Для многих нейробиологов он синонимичен памяти – в частности, благодаря исследованию нейропсихолога-новатора Бренды Милнер. В 1957 году она опубликовала статью [44] , в которой познакомила мир с пациентом Г. М. – имя его не раскрывали, и он прославился в научной литературе именно под своими инициалами. Теперь мы знаем, что его звали Генри Молисон; молодой человек страдал от тяжелых припадков более десятка лет, он не мог найти работу и жить нормальной жизнью. Когда ему было около тридцати, он согласился на радикальную экспериментальную операцию: ему удалили около пяти сантиметров ткани [45] с левой и правой сторон гиппокампа, а также окружающую ткань неокортекса в височных долях. Операцию провел нейрохирург Уильям Сковилл. После нее симптомы эпилепсии у Г. М. смягчились, но также у него проявилась сильная амнезия. Расстройство памяти у Г. М. было столь серьезным, что если бы вы заговорили с ним и вышли из комнаты меньше чем на минуту, то по вашем возвращении он бы уже не помнил никакого разговора. Статья Милнер, в которой образование новых воспоминаний однозначно связывалось с гиппокампом, прогремела по всему миру, вдохновив целое поколение ученых начать разбираться в том, как и почему эта крошечная зона человеческого мозга позволяет нам возвращать к жизни прошлое. Вклад Милнер в науку о памяти был столь значителен, что спустя несколько лет после публикации исследования о Г. М. легендарный российский нейропсихолог Александр Лурия отправил ей записку: «Память была спящей красавицей мозга, и теперь она пробудилась» [46] .

44

Милнер тогда училась в аспирантуре Университета Макгилла в Монреале, ее научными руководителями были Дональд Хебб, который стал легендой в нейронауке, и блестящий нейрохирург Уайлдер Пенфилд (дополнительную информацию о работе Милнер в этот период можно найти в Xia 2006). Пенфилд практиковал хирургическое лечение эпилепсии, отсекая часть височной доли в одном полушарии, тем самым удаляя область, вызывающую приступы. Милнер впервые наблюдала дефицит памяти у пациентов с удалением височных долей в своей работе с Пенфилдом (Penfield, Milner 1958). Когда они сообщили о своих наблюдениях на конференции, с Пенфилдом связался нейрохирург Уильям Сковилл, который описал свой сходный опыт. Для лечения ряда психиатрических и неврологических расстройств Сковилл разработал радикальную процедуру, отсекая височные доли в обоих полушариях мозга. Он также попробовал это на Генри Молисоне, пытаясь излечить его тяжелую эпилепсию. Сковилл пригласил Милнер изучить его пациентов, включая Г. М., у которого была тяжелая амнезия (Scoville, Milner 1957). Теперь мы знаем, что односторонние удаления височных долей, какие делал Пенфилд, на самом деле могут улучшить память, если удастся верно определить ту сторону мозга, которая вызывает приступы. У пациентов, у которых возникли проблемы с памятью, была удалена неповрежденная ткань. Процедура Сковилла всегда ухудшала память пациентов, потому что систематически уничтожала как зону приступов, так и ткань на другой стороне мозга, на которую пациент опирался. Это как снять спущенную шину – и заодно целую с другой стороны автомобиля. Больше информации о замечательной жизни Г. М. и его влиянии на науку о памяти можно найти в книге Permanent Present Tense: The Unforgettable Life of the Amnesic Patient, H. M., мемуарах 2013 года покойной Сьюзен Коркин, которая много лет работала с мистером Молисоном.

45

Большинство нейробиологов ошибочно приписывают плотную амнезию Г. М. повреждению гиппокампа, но на самом деле Г. М. потерял только передние две трети гиппокампа, в то время как задняя треть была сохранена. Он получил массивное повреждение серого и белого вещества неокортекса (Corkin et al. 1997, Anneseetal. 2014), и тяжесть нарушений его памяти была, скорее всего, обусловлена именно этим.

46

Roth H., Sommer B. W. InterviewwithBrendaMilner, Ph.D., Sc. D. American Academy of Neurology Oral History Project, December 2, 2011.