Wciąż pamiętam film akcji „Johnny the Mnemonic”. Tam K. Reeves wszczepił pendrive do mózgu i przesłał tam niezmierzone ilości informacji. Jak fajnie jest wszystko zapamiętać! Ale Sherlock Holmes nazwał pamięć - strych. Jeśli wszystko tam wrzucisz i przechowasz przez wiele lat, nie będzie można go tam szybko znaleźć, a może w ogóle nie zadziała. Dlatego pamiętał tylko to, czego potrzebował w swojej pracy.
Dziś nawet odpowiedź na podstawowe pytanie - czym jest pamięć w czasie i przestrzeni - może składać się głównie z hipotez i założeń. Jeśli mówimy o przestrzeni, nadal nie jest jasne, w jaki sposób zorganizowana jest pamięć i gdzie dokładnie znajduje się w mózgu. Dane naukowe sugerują, że jego pierwiastki są obecne wszędzie, w każdym z obszarów naszej „istoty szarej”.
Co więcej, jedna i ta sama, pozornie, informacja może zostać zapisana w pamięci w różnych miejscach.
Na przykład ustalono, że pamięć przestrzenna (kiedy po raz pierwszy pamiętamy określone środowisko - pokój, ulicę, krajobraz) jest związana z obszarem mózgu zwanym hipokampem. Kiedy spróbujemy wyrzucić tę sytuację z naszej pamięci, powiedzmy, dziesięć lat później, to wspomnienie to zostanie już wydobyte z zupełnie innego obszaru. Tak, pamięć może poruszać się w mózgu, a tę tezę najlepiej ilustruje eksperyment przeprowadzony raz na kurczakach. Nadruk odgrywa ważną rolę w życiu nowo wyklutych kurczaków - natychmiastowe uczenie się (a umieszczanie w pamięci to uczenie się). Na przykład kura widzi duży poruszający się obiekt i natychmiast „odciska” w mózgu: to jest kura matka, musisz za nią podążać. Ale jeśli po pięciu dniach część mózgu odpowiedzialna za wdrukowanie zostanie usunięta z kurczaka, okazuje się, że … zapamiętana umiejętność nigdzie nie zniknęła. Przeniósł się do innego obszaru, co dowodzi, że istnieje jedno repozytorium do natychmiastowych wyników nauczania, a drugie do długoterminowego przechowywania.
Z przyjemnością wspominamy
Ale jeszcze bardziej zaskakujące jest to, że mózg nie ma tak wyraźnej sekwencji ruchu pamięci od operacyjnej do trwałej, jak to się dzieje w komputerze. Pamięć robocza, która rejestruje natychmiastowe odczucia, wyzwala jednocześnie inne mechanizmy pamięci - średnio- i długoterminowe. Ale mózg jest systemem energochłonnym i dlatego stara się zoptymalizować wykorzystanie swoich zasobów, w tym pamięci. Dlatego natura stworzyła wielostopniowy system. Pamięć robocza jest szybko tworzona i równie szybko niszczona - jest do tego specjalny mechanizm. Ale naprawdę ważne wydarzenia są zapisywane do długoterminowego przechowywania, a ich wagę podkreśla emocja, stosunek do informacji.
Film promocyjny:
Na poziomie fizjologicznym emocje są aktywacją najsilniejszych biochemicznych systemów modulujących. Układy te uwalniają mediatory hormonów, które zmieniają biochemię pamięci we właściwym kierunku. Są wśród nich na przykład różne hormony przyjemności, których nazwy przypominają nie tyle neurofizjologię, co kronikę kryminalną: są to morfiny, opioidy, kannabinoidy - czyli leki wytwarzane przez nasz organizm. W szczególności endokannabinoidy powstają bezpośrednio w synapsach - kontaktach komórek nerwowych. Wpływają na skuteczność tych kontaktów, a tym samym „zachęcają” do zapisywania tej lub innej informacji w pamięci. Przeciwnie, inne substancje z szeregu mediatorów hormonów mogą hamować proces przenoszenia danych z pamięci roboczej do pamięci długotrwałej.
Obecnie aktywnie badane są mechanizmy wzmacniania pamięci emocjonalnej, czyli biochemicznej. Jedynym problemem jest to, że tego rodzaju badania laboratoryjne można przeprowadzić tylko na zwierzętach, ale ile szczur laboratoryjny może nam powiedzieć o swoich emocjach?
Jeśli zapisaliśmy coś w naszej pamięci, to czasami przychodzi czas, aby zapamiętać tę informację, to znaczy wydobyć ją z pamięci. Ale czy słowo „wypakuj” jest poprawne? Najwyraźniej niezbyt dużo. Wydaje się, że mechanizmy pamięci nie pobierają informacji, ale je regenerują. W tych mechanizmach nie ma informacji, tak jak nie ma głosu ani muzyki w „sprzęcie” odbiornika radiowego. Ale z odbiornikiem wszystko jest jasne - przetwarza i konwertuje sygnał elektromagnetyczny odebrany do anteny. Jaki rodzaj „sygnału” jest przetwarzany podczas wydobywania pamięci, gdzie i jak te dane są przechowywane, nadal jest bardzo trudne do określenia. Wiadomo już jednak, że podczas przypominania pamięć jest przepisywana, modyfikowana, a przynajmniej dzieje się tak z niektórymi rodzajami pamięci.
Nie elektryczność, ale chemia
W poszukiwaniu odpowiedzi na pytanie, jak modyfikować, a nawet wymazać pamięć, w ostatnich latach dokonano ważnych odkryć, a na temat „cząsteczki pamięci” pojawiło się wiele prac.
W rzeczywistości próbowali izolować taką cząsteczkę lub przynajmniej jakiegoś materialnego nośnika myśli i pamięci przez dwieście lat, ale bez większego sukcesu. W końcu neurofizjolodzy doszli do wniosku, że nie ma nic specyficznego dla pamięci w mózgu: jest 100 miliardów neuronów, jest między nimi 10 biliardów połączeń, a gdzieś w tej kosmicznej sieci pamięć, myśli i zachowania są jednolicie zakodowane. Podejmowano próby zablokowania pewnych substancji chemicznych w mózgu, co doprowadziło do zmiany pamięci, ale także zmiany w całym funkcjonowaniu organizmu. Dopiero w 2006 roku pojawiły się pierwsze prace nad układem biochemicznym, który wydaje się być bardzo specyficzny dla pamięci. Jej blokada nie spowodowała żadnych zmian w zachowaniu ani zdolności uczenia się - tylko utrata części jej pamięci. Na przykład pamięć o sytuacji,jeśli bloker został wstrzyknięty do hipokampu. Lub emocjonalny szok, jeśli bloker został wstrzyknięty do ciała migdałowatego. Odkryty układ biochemiczny to białko, enzym zwany kinazą białkową M-zeta, który kontroluje inne białka.
Jeden z głównych problemów neurofizjologii - niemożność przeprowadzania eksperymentów na ludziach. Jednak nawet u prymitywnych zwierząt podstawowe mechanizmy pamięci są podobne do naszych.
Cząsteczka działa w miejscu kontaktu synaptycznego - kontaktu między neuronami w mózgu. W tym miejscu musimy zrobić jedną ważną dygresję i wyjaśnić specyfikę tych właśnie kontaktów. Mózg jest często porównywany do komputera i dlatego wiele osób uważa, że połączenia między neuronami, które tworzą wszystko, co nazywamy myśleniem i pamięcią, mają charakter czysto elektryczny. Ale tak nie jest. Językiem synaps jest chemia, tutaj niektóre wydzielane cząsteczki, jak klucz z zamkiem, oddziałują z innymi cząsteczkami (receptorami) i dopiero wtedy rozpoczynają się procesy elektryczne. Wydajność i wysoka przepustowość synapsy zależą od tego, ile specyficznych receptorów zostanie dostarczonych przez komórkę nerwową do miejsca kontaktu.
Białko o specjalnych właściwościachKinaza białkowa M-zeta tylko kontroluje dostarczanie receptorów do synapsy i tym samym zwiększa jej wydajność. Gdy te cząsteczki są włączane w tym samym czasie w dziesiątkach tysięcy synaps, następuje przekierowanie sygnału i zmieniają się ogólne właściwości pewnej sieci neuronów. Wszystko to niewiele nam mówi o tym, jak zmiany w pamięci są kodowane w tym przekierowaniu, ale jedno jest pewne: jeśli kinaza białkowa M-zeta zostanie zablokowana, pamięć zostanie wymazana, ponieważ wiązania chemiczne, które ją zapewniają, nie będą działać. Nowo odkryta „cząsteczka” pamięci ma wiele interesujących cech.
Po pierwsze, jest zdolny do samodzielnej reprodukcji. Jeżeli w wyniku uczenia się (czyli otrzymywania nowych informacji) w synapsie powstanie pewien dodatek w postaci określonej ilości kinazy białkowej M-zeta, to taka ilość może tam pozostać przez bardzo długi czas, mimo że ta cząsteczka białka rozkłada się w ciągu trzech do czterech dni. W jakiś sposób cząsteczka mobilizuje zasoby komórki i zapewnia syntezę i dostarczenie nowych cząsteczek do miejsca kontaktu synaptycznego, aby zastąpić te, które pozostały.
Po drugie, jedną z najciekawszych cech kinazy białkowej M-zeta jest jej blokowanie. Kiedy naukowcy potrzebowali substancji do eksperymentów nad blokowaniem „cząsteczki” pamięci, po prostu „czytali” sekcję jej genu, który koduje jej własny bloker peptydów, i syntetyzowali go. Jednak ten bloker nigdy nie jest wytwarzany przez samą komórkę i nie jest jasne, w jakim celu ewolucja pozostawiła swój kod w genomie.
Trzecią ważną cechą cząsteczki jest to, że zarówno ona, jak i jej bloker mają prawie identyczny wygląd dla wszystkich żywych istot z układem nerwowym. Wskazuje to, że w osobie kinazy białkowej M-zeta mamy do czynienia z najstarszym mechanizmem adaptacyjnym, na którym zbudowana jest również pamięć ludzka.
Oczywiście kinaza białkowa M-zeta nie jest „cząsteczką pamięci” w sensie, w jakim naukowcy z przeszłości mieli nadzieję ją znaleźć. Nie jest materialnym nośnikiem zapamiętanych informacji, ale oczywiście pełni funkcję kluczowego regulatora sprawności połączeń wewnątrz mózgu, inicjuje powstawanie nowych konfiguracji w wyniku uczenia się.
Nawiązywać kontakt
Obecnie eksperymenty z blokerem kinazy białkowej M-zeta mają w pewnym sensie charakter „strzelania w poprzek obszaru”. Substancja jest wstrzykiwana do określonych części mózgu zwierząt doświadczalnych za pomocą bardzo cienkiej igły iw ten sposób natychmiast wyłącza pamięć w dużych blokach funkcjonalnych. Granice penetracji blokera nie zawsze są wyraźne, podobnie jak jego koncentracja w obszarze docelowym. W rezultacie nie wszystkie eksperymenty w tej dziedzinie przynoszą jednoznaczne rezultaty.
Prawdziwego zrozumienia procesów zachodzących w pamięci może zapewnić praca na poziomie poszczególnych synaps, ale wymaga to ukierunkowanego dostarczania blokera w kontakt między neuronami. Dziś jest to niemożliwe, ale skoro takie zadanie stoi przed nauką, to prędzej czy później pojawią się narzędzia do jego rozwiązania. Szczególne nadzieje wiąże się z optogenetyką. Ustalono, że komórka, w której za pomocą metod inżynierii genetycznej wbudowana jest zdolność syntezy wrażliwego na światło białka, może być kontrolowana za pomocą wiązki laserowej. A jeśli nie przeprowadzono jeszcze takich manipulacji na poziomie organizmów żywych, to coś podobnego robi się już na bazie wyhodowanych kultur komórkowych, a wyniki są imponujące.
Autor - doktor nauk biologicznych, członek korespondent Rosyjskiej Akademii Nauk, profesor, dyrektor IVNDiNF RAS