Странная девочка, которая влюбилась в мозг. Как знание нейробиологии помогает стать привлекательнее, счастливее и лучше

Первое, что мне нужно было решить в качестве главы лаборатории: какого рода информацию будут запоминать подопытные животные. Требовалось нечто относительно простое, то, что животные могли делать без труда. Но эти задания должны были стать непосильными для животных с поврежденным гиппокампом и окружающих его структурами. Я выбрала следующее задание: животное должно было соотносить определенные визуальные подсказки (к примеру, изображение собаки, дома или дерева) с определенными целями вверху, внизу, слева или справа на компьютерном мониторе. За это ему доставалось вознаграждение. Эта форма памяти, известная как ассоциативная память, представляет собой разновидность декларативной памяти (то есть эта информация может быть осознанно заучена и осознанно же вызвана в памяти). Существовали также надежные свидетельства, что поражение гиппокампа и/или окружающих его структур мозга нарушает способность к усвоению подобных ассоциаций «рисунок – мишень».

Я начала учить животных усваивать ежедневно по несколько новых ассоциаций. Когда они хорошо овладели этим навыком, я ввела в их мозг тонкие электроды, чтобы записывать электрическую активность в процессе обучения.

Наконец-то! Мне предстояло заглянуть в мозг и увидеть, что происходит в гиппокампе при усвоении новой информации.

Почему никто раньше не делал подобных опытов? Одна из причин – в том, что научить животных усваивать новые ассоциации очень трудно. Но оказалось, что я выбрала удачную задачу: животные были в состоянии усваивать за один сеанс по несколько новых ассоциаций. Именно в этом мы нуждались, чтобы начать поиск механизма, который «регистрирует» новые ассоциации в гиппокампе.

Регистрация активности отдельных клеток мозга напоминает рыбалку. Для начала вы устраиваетесь в подходящей части водоема (или мозга), где обитает крупная рыба (или клетки мозга), а затем ждете. Я записывала электрическую активность при помощи очень тонкого микроэлектрода, который на пути к гиппокампу проходил мимо сотен или даже тысяч клеток в других отделах мозга. При прохождении электрода я записывала показатели активности клеток. Их реакция регистрировалась в виде слабых щелчков, напоминавших шорохи эфира при настройке радиоприемника. Моей целью было узнать, связана ли схема срабатываний конкретной клетки мозга с тем, что животное усвоило новую ассоциацию между картинкой и мишенью. Но у меня не было гарантий. Бывали дни, когда с помощью нашего электрода я выслушивала множество клеток, но все они практически ничего не делали. Они издавали только «белый шум» без всякого ритма и системы. Однако в другие дни мне везло, и удавалось поймать отличную крупную рыбу в виде клетки, которая вела себя интересно. К примеру, эта клетка срабатывала только при показе определенной картинки. Или же она «щелкала» раз за разом во время интервала между показом картинки и обращением животного к одной из мишеней.

Я продолжала «ловить рыбу» в гиппокампе в надежде найти что-то интересное, и через несколько месяцев работы наконец-то начала проявляться некая система. Я заметила: в начале испытания, когда животное еще не запоминало никаких ассоциаций, клетка, активность которой мы регистрировали, почти не срабатывала или срабатывала редко. Но затем эта клетка усиливала активность и ближе к концу испытания, когда ассоциации успевали закрепиться в памяти, срабатывала гораздо чаще. Сразу я не обратила внимания на эту особенность, но когда мы дополнительно проанализировали полученные данные, закономерность стала очевидной.

Действительно, эти клетки почти или совсем не реагировали на задание в начале обучающего сеанса (когда ассоциации еще не сформировались). Но по мере того, как животное усваивало очередную ассоциацию, определенные клетки резко увеличивали активность – они удваивали или даже утраивали первоначальную частоту. Причем увеличение частоты происходило при усвоении только определенных ассоциаций. Это позволяло предположить, что в гиппокампе есть группы клеток, которые своей повышенной активностью сигнализируют об усвоении новых ассоциаций. Во время эксперимента я прислушивалась к щелканью прибора и слышала в этих звуках рождение нового воспоминания! Никто никогда не описывал обучение в гиппокампе таким образом. Мы наблюдали, как клетки гиппокампа кодируют новые, только что усвоенные ассоциации. А поскольку мы знали, что повреждение этой области мозга снижает способность к созданию ассоциаций, можно было предположить: такая схема активности мозга – основа процесса усвоения новых ассоциаций.

Полученные результаты были важны не только для меня и моих коллег-исследователей, но и для нейробиологии в целом. Наш эксперимент стал одной из первых демонстраций пластичности мозга. Эту пластичность мы наблюдали в реальном времени, и она была непосредственно связана с изменением поведения – в данном случае с усвоением новых ассоциаций. Профессор Даймонд в свое время показала, что мозг в среднем содержит больше синапсов, если крысу выращивают в обогащенной среде. Но в тех исследованиях не регистрировалось поведение в ходе обучения и формирования воспоминаний. Априори считалось, что если мозг увеличивается, то это хорошо для поведения и успеха. Если мы сумеем разобраться в этих функциях мозга, то тогда, наверное, сможем в перспективе искусственно воспроизвести эти функции. Подобное может понадобиться, если мозг сам не справится с задачей из-за неврологических проблем. Иными словами, наши результаты показали, как работают клетки нормального гиппокампа при формировании новых воспоминаний. Очень важно, что эти результаты стали первыми шагами к разработке методов лечения дефицита ассоциативной или событийной памяти. Этот дефицит возникает при болезни Альцгеймера, травмах мозга и естественном старении. Прежде, чем исправлять то, что выходит из строя при этих неврологических заболеваниях, мы должны понять, как нормальный мозг формирует новые воспоминания.

Факты в копилку

• Части височной доли, включая гиппокамп, энторинальную, околоносовую и парагиппокампальную кору (по одной в каждом полушарии) очень важны для декларативной памяти.

• Декларативная память – фундаментальная форма памяти. Она называется так потому, что ее можно сознательно объявить (продекларировать). В декларативную память входит жизненный опыт (событийная память) и знание фактов (смысловая память).

• Чтобы сформировалось и отложилось новое декларативное воспоминание, ключевые области височной доли должны работать. Эти области необходимы также в случаях, когда новое воспоминание повторяется и, возможно, связывается с другой информацией. Так оно постепенно превращается в долговременное воспоминание.

• Когда работа проделана и долговременное воспоминание сформировано, необходимость в этих областях височной доли пропадает. Считается, что после этого воспоминание хранится в сложных нейронных сетях в коре мозга.

• Если гиппокамп человека будет поврежден во взрослом состоянии, другие области мозга не смогут взять на себя его функции. Никакая пластичность не поможет при утрате этих областей мозга.

• Сегодня нам известно, что клетки гиппокампа могут сигнализировать о формировании новых ассоциативных воспоминаний: в ответ на усвоение конкретных ассоциаций клетки изменяют частоту своего срабатывания. Когда вы запоминаете имя нового знакомого, группа клеток в вашем гиппокампе начинает бешено сигналить – так она реагирует на новую усвоенную ассоциацию «имя – лицо».

3. Загадка памяти Воспоминания – это не только нейроны

Это случилось в среду. В Нью-Йорке начинался чудесный ясный день. К тому моменту я уже довольно давно работала в Нью-Йоркском университете и в то утро с нетерпением ждала возможности почитать свою любимую гастрономическую рубрику The New York Times – она выходила как раз по средам. Статья, посвященная всемирно известному повару Томасу Келлеру, сразу заинтересовала меня. Когда-то с родителями мне приходилось бывать в обоих пятизвездочных ресторанах Келлера – и в The French Laundry в Йонтвилле (штат Калифорния) в долине Напа, и в не менее поразительном Per Se с видом на Центральный парк в Нью-Йорке. Я ожидала увидеть забавный текст о каком-нибудь фирменном масле или редких лесных грибах, но с удивлением обнаружила, что статья – о том, как знаменитый шеф уже в зрелом возрасте восстановил отношения с отцом, который оставил семью, когда самому Келлеру было пять лет.

После этого Келлер встречался с отцом лишь изредка, и только когда повару перевалило за сорок, отец и сын познакомились по-настоящему. Им так понравилось общаться, что через некоторое время Келлер-старший переехал в Йонтвилль поближе к сыну. Оба они радовались новым отношениям, ели, пили и в полной мере наслаждались жизнью. Без сомнения, чудесная еда и великолепные пейзажи долины Напа делали их воссоединение еще более счастливым. Однако после автокатастрофы у отца Келлера парализовало ноги. Он оказался прикован к инвалидной коляске и нуждался теперь в постоянной заботе и присмотре. Келлер использовал все возможности, чтобы помочь отцу поправиться и начать новую жизнь в инвалидном кресле. Благодаря заботе сына старшему Келлеру удавалось сохранить часть своей прежней жизнерадостности еще на год. А потом он умер.

Статья получилась трогательная. Я ощущала боль, которую испытал Келлер, потеряв недавно обретенного отца.

Но сильнее всего на меня подействовали его слова, которыми завершалась статья: «В конце концов, когда мы задумываемся о том, что имеем, оказывается, что это воспоминания». Тут я заплакала.

Я плакала не только потому, что история была трагической, просто она заставила меня понять нечто важное о себе самой. Больше шестнадцати лет я изучала механику памяти и ни разу не задумалась всерьез, что воспоминания значат для меня лично. Да, я много размышляла о пациенте Г. М., о том, чего он лишился вместе с височными долями мозга. Но я не потратила и минуты на то, чтобы понять, насколько драгоценны для меня мои собственные воспоминания. Какие они? Все, что мгновенно промелькнуло перед глазами, касалось учебы, работы в лаборатории, защиты диссертаций, премий и грантов. Я вдруг поняла, что все мои недавние воспоминания – только о науке.

Но ведь у меня было детство в Калифорнии с родителями и братом. Стоило сосредоточиться, и в голове начали разворачиваться образы прошлого. Томас Келлер был прав: наши воспоминания – самое ценное, что у нас есть!

Потеря памяти дома

Травмы мозга, которые приводят к амнезии, встречаются относительно редко. Но поражение этих же областей наблюдается у пациентов, страдающих старческой деменцией и болезнью Альцгеймера. В январе, через несколько месяцев после той статьи про Томаса Келлера, мне позвонила мама. Она сказала, что папа плохо себя чувствует: он пожаловался, что не может вспомнить, как добраться до магазинчика, в котором уже тридцать лет покупает кофе. Внезапно папина память просто испарилась.