как хранится информация в мозге человека
Архивы памяти: как мозг кодирует и воспроизводит воспоминания
С одной стороны мозг человека достаточно понятен, с другой — полон загадок и вопросов, на которые пока нет ответов. И тут все логично, учитывая, что данная система чрезвычайно сложна как с точки зрения архитектуры, так и с точки зрения протекающих процессов и связи между ними. Если по классике сравнивать мозг с компьютером, то помимо обработки информации, он выполняет и ее хранение. Любое воспоминание изымается из архивов памяти под влиянием какого-то стимула: знакомый аромат, мелодия, слова и т.д. Однако остается вопрос — где этот архив и что способствует его открытию? Ученые из NINDS (Национальный институт неврологических расстройств и инсульта) изучили мозг пациентов, больных устойчивой к препаратам эпилепсией, чтобы выявить и попытаться объяснить механизмы извлечения воспоминаний. Так как же мы вспоминаем, что происходит в мозге в этот момент и почему исследование проводилось с участием больных эпилепсией? Об этом мы узнаем из доклада ученых. Поехали.
Основа исследования
Прежде всего стоит отметить, что пациенты с эпилепсией, которая не поддается препаратному лечению (лекарства, к сожалению, не могут сдерживать приступы) являются участниками другого исследования, в котором к их мозгу хирургическим путем подключены электроды для выявления механизмов возникновения приступов.
Наличие этих электродов позволяет параллельно провести исследование памяти, поскольку связь между этим заболеванием и памятью достаточно любопытна. Исследователи напоминают, что в далеком 1957 году некоему пациенту с эпилепсией удалили часть мозга, чтобы избавить его от приступов. Но у процедуры был серьезный побочный эффект — пациент больше не мог формировать новые воспоминания, т.е. у него пропал механизм эпизодической памяти.
С тех пор возникла теория, что эпизодические воспоминания сохраняются или кодируются как структуры (паттерны) нейронной активности. Когда человек сталкивается с каким-то стимулом (знакомый запах, звук и т.д.), мозг воспроизводит эту активность, тем самым позволяя ему вспомнить что-то, связанное с этим стимулом. Это напоминает воспроизведение пластинки, на которую записали воспоминание, а иглой проигрывателя в данном случае служат внешние стимулы. Тем не менее, какой бы красивой не была аналогия, сам механизм этого процесса остается малоизученным.
Ранее уже проводилось исследование, нацеленное на объяснение механизмов извлечения воспоминаний. В качестве подопытных тогда выступали мыши и ученым удалось определить, что мозг может хранить воспоминания в уникальных последовательностях потенциалов действия*.
Потенциал действия* — основа нервного импульса, когда волна возбуждения движется по внешней части мембраны клетки, делая участки по которым она проходит отрицательно заряженными по отношению к внутренней поверхности мембраны.
Ученые решили проверить достоверность результатов исследования на грызунах, проведя такие же исследования на мозге человека. Наблюдения активности мозга грызунов, в частности медиальной височной доли, показали, что отдельные нейроны генерируют импульсы в последовательностях, когда животные изучают окружающую среду (в тестовой камере), и что эти последовательности воспроизводятся во время отдыха (когда животное не спит, но особой физической активности нет) и во время сна.
Воспроизведение последовательностей пиковой активности интерпретировалось как извлечение и консолидация памяти, а также как часть механизма планирования. Но это все у мышей, с людьми дела могут обстоять совсем иначе.
Нейронные последовательности, воспроизводимые в медиальной височной доли мышей, связаны с быстрыми колебаниями, которые называют «рябью». Рябь также имеет отношение к извлечению эпизодической памяти у людей. Следовательно, рябь может в теории быть связана с релевантным для памяти повторными воспроизведениями пиковой активности в мозге человека.
Результаты исследования
Для проверки теорий ученые провели исследование взаимосвязи между кортикальной рябью и пиковой активностью отдельных нейронов. В качестве испытуемых выступили 6 человек (4 мужчины и 2 женщины, средний возраст — 34.8 ± 4.7 года).
Изображение №1
Основными инструментами сбора информации стали: микроэлектродная решетка (MEA) для сбора данных о потенциалах действия отдельных нейронов и микро-локального поля* из передней височной доли; электрокортикограмма (iEEG) для сбора макромасштабных сигналов от субдуральных электродов, расположенных над латеральной височной корой и вдоль медиальной височной доли (1А и 1В).
Потенциалы локального поля* — временные электрические сигналы, генерируемые в нервной и других тканях посредством суммарной и синхронной электрической активности отдельных клеток (например, нейронов) в этой ткани.
MTL — медиальная височная доля мозга;
MTG — средняя височная извилина.
Рябь, присутствующая в записях электрокортикограммы медиальной височной доли, сопровождалась рябью в сигналах микро-LFP и пиками активности отдельных нейронов (1С). Рябь показала увеличение мощности в диапазоне от 80 до 120 Гц как в масштабе макро-iEEG, так и в масштабе микро-LFP.
Каждая пульсация, выявленная в каждом микроэлектроде, сопровождалась повышением активности отдельных нейронов в данном канале (1C). Пиковая активность коры тесно связана с началом обнаруженных пульсаций в масштабах макро-iEEG и микро-LFP (1D).
В пределах отдельного микро-LFP импульса пики, полученные от канала электрода в определенной области коры, были привязаны к распространению ряби, что согласуется с взаимосвязью между пиковой и пульсационной активностью, наблюдаемой у грызунов и людей (1Е и 1F).
Изображение №2
Каждого из участников исследования попросили выполнить задачу на устное запоминание парных слов, которая требовала от них кодирования и последующего извлечения новых ассоциаций между парами случайно выбранных слов в каждом испытании (2A).
Под событием всплеска ученые подразумевают временные индексы, в течение которых кортикальные пики превышали порог, основанный на частоте популяции, по меньшей мере на 25 мс. У всех участников всплески имели среднюю частоту 1.4 ± 0.2 Гц, и каждый всплеск включал 39.9 ± 6.3% всех идентифицированных единиц (нейронов) в течение данного конкретного сеанса выполнения задачи. События всплеска происходили неоднократно в течение всего времени представления испытуемым словесных пар (2В).
Далее ученые провели переупорядочивание нейронов в каждом испытании в соответствии с модельной последовательностью, полученной из относительного времени всплеска активности между парами нейронов в течение каждого периода кодирования. Данная модельная последовательность использовалась скорее для визуализации, нежели для анализа временной структуры активности нейронов в нескольких событиях в течение периодов кодирования и периодов поиска. Нейроны во время отдельных всплесков, по-видимому, сохраняют один и тот же последовательный порядок потенциала действия в течение всего времени кодирования (2С).
Поскольку наблюдались повторяющиеся последовательности потенциала действия, когда участники опытов кодировали пары слов, удалось количественно оценить степень, в которой последовательности потенциала действия нейронов в события всплеска согласовывались между собой в разных испытаниях или отличались чем-то.
Для каждого события всплеска была определена последовательность пиковой активности между нейронами внутри этого конкретного всплеска посредством упорядочивания каждого нейрона в соответствии с тем, когда возник его максимальный потенциал действия в диапазоне ± 75 мс от центрального индекса события всплеска.
Было обнаружено несколько примеров нейронов, которые формировали последовательность в одном испытании, а потом реорганизовывались для формирования другой последовательности во время следующего испытания (2D).
Определив среднее попарное значение коэффициента соответствия между всеми последовательностями в каждом испытании, было проведено сравнение этого среднего значения с распределением значений коэффициента, которое возникает при сравнении всех попарных комбинаций последовательностей в разных испытаниях.
Анализ данных показал общий параметр для кодирования и для воспроизведения воспоминаний — повторяющиеся последовательности кортикальных пиков активности, которые наблюдались во всех испытаниях, даже при неправильном составлении словесной пары участниками.
Изображение №3
Следовательно, если успешное кодирование памяти зависит от временной последовательности потенциала действия нейронов, то извлечение памяти должно зависеть от той же самой последовательности (3А). Во время всех испытаний наблюдались повторяющиеся события всплесков во время кодирования и поиска (3В).
В процессе извлечения памяти последовательности, по-видимому, становились все более похожими на последовательности кодирования до того момента, когда участник озвучил свой ответ (3С).
Любопытно, что данные повторения последовательностей во время кодирования и во время извлечения памяти увеличивались в случае правильного ответа на поставленную задачу (словесная пара). В случае же, когда участник неправильно воссоздавал словесную пару, наблюдалось меньше (3D). Тем не менее до того, как участник озвучивал неправильный ответ последовательности поиска были схожи с последовательностями кодирования. Другими словами, последовательность активации нейронов во время запоминания словесной пары совпадала с активностью во время озвучивания ответа в правильном варианте больше, чем в случае неверного ответа. Из этого следует, что мозг при необходимости вспомнить что-то конкретное выбирает нужную пластинку с этим воспоминанием и воспроизводит ее, метафорически говоря.
Если такой механизм есть, то он должен быть индивидуальным для разных воспоминаний (3F). Также было установлено, что правильное кодирование и поиск информации имели более низкую частоту всплесков популяции нейронов и более низкий коэффициент Фано по сравнению с аналогичными в испытаниях с неверным ответом. Это позволяет предположить, что успешный поиск включает воспроизведение точных последовательностей нейронного возбуждения (3G).
Изображение №4
Как уже говорилось ранее, события всплеска, наблюдаемые во время поиска, тесно связаны с колебаниями типа рябь в масштабе макро-iEEG и микро-LFP (1С). Однако лишь некоторые из этих кортикальных событий связаны с рябью в медиальной височной доле. Проводимые ранее исследования утверждают, что в основе извлечения воспоминаний лежат кортикальные события всплесков, связанные с аналогичными событиями в медиальной височной доле (4А).
Во время тестов со словесными парами наблюдались события всплесков, связанные с медиальной височной долей, которые демонстрировали более высокий коэффициент сходства последовательностей с периодом кодирования, чем те события, которые имели место в отсутствие активности медиальной височной доли (4В).
Также было установлено, что воспроизведение воспоминания в коре мозга, вызванное активностью в медиальной височной доле, происходило не позднее, чем через 100 мс после начала этой активности (4C).
Во время тестов, когда участники давали верный ответ, события всплесков, связанные с пульсациями MTL, продемонстрировали значительно большее воспроизведение последовательностей, присутствующих во время кодирования, по сравнению с несвязанными событиями (4D).
Из этого следует, что для каждого кодирования воспоминания имеется своя последовательность активности отдельных нейронов. А для правильного воспроизведения воспоминаний мозг должен воспроизвести эту последовательность повторно.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.
Эпилог
В данном исследовании ученые смогли получить прямые вещественные доказательства того, что воспроизведение воспоминаний основано на скоординированном воспроизведении последовательностей потенциалов действия нейронов в мозге человека.
Когда человек что-то запоминает, в мозге формируется последовательность активности нейронов. Когда же он хочет что-то вспомнить, для успешного извлечения нужного воспоминания его мозг должен воспроизвести ранее созданную последовательность.
Это было подтверждено во время тестов. Когда участники испытания правильно вспоминали заданную словесную пару, последовательность воспроизведения (воспоминания) и кодирования (запоминания) совпадали, чего не наблюдалось в случаях ошибочных ответов.
По словам исследователей, их труд может стать дополнительным инструментом в попытках понять все особенности деструктивных процессов в мозге человека, вызывающих нарушения памяти, сознания и мышления. Если же рассуждать с более научно-фантастической точки зрения, то понимание того, что есть некая последовательность, которую можно воспроизвести, может позволить нам точно и быстро воспроизводить нужные воспоминания в нужный момент.
Немного рекламы 🙂
Механизмы и принципы работы памяти головного мозга человека
Поводом написания данной статьи послужила публикация материала американских неврологов на тему измерения емкости памяти головного мозга человека, и представленная на GeekTimes днем ранее.
В подготовленном материале постараюсь объяснить механизмы, особенности, функциональность, структурные взаимодействия и особенности в работе памяти. Так же, почему нельзя проводить аналогии с компьютерами в работе мозга и вести исчисления в единицах измерения машинного языка. В статье используются материалы взятые из трудов людей, посвятившим жизнь не легкому труду в изучении цитоархитектоники и морфогенетике, подтвержденный на практике и имеющие результаты в доказательной медицине. В частности используются данные Савельева С.В. учёного, эволюциониста, палеоневролога, доктора биологических наук, профессора, заведующего лабораторией развития нервной системы Института морфологии человека РАН.
Прежде, чем преступить к рассмотрению вопроса и проблемы в целом, мы сформулируем базовые представления о мозге и сделаем ряд пояснений, позволяющих в полной мере оценить представленную точку зрения.
Первое что вы должны знать: мозг человека — самый изменчивый орган, он различается у мужчин и женщин, расовому признаку и этническим группам, изменчивость носит как количественный (масса мозга) так и качественный (организация борозд и извилин) характер, в различных вариациях эта разница оказывается более чем двукратной.
Второе: мозг самый энергозатратный орган в человеческом организме. При весе 1/50 от массы тела он потребляет 9% энергии всего организма в спокойном состоянии, например, когда вы лежите на диване и 25% энергии всего организма, когда вы активно начинаете думать, огромные затраты.
Третье: в силу большой энергозатраты мозг хитер и избирателен, любой энергозависимый процесс невыгоден организму, это значит, что без крайней биологической необходимости такой процесс поддерживаться не будет и мозг любыми способами старается экономить ресурсы организма.
Вот, пожалуй, три основных момента из далеко не полного списка особенностей мозга, которые понадобится при анализе механизмов и процессов памяти человека.
Что же такое память? Память – это функция нервных клеток. У памяти нет отдельной, пассивной эноргонезатратной локализации, что является излюбленной темой физиологов и психологов, сторонников идеи нематериальных форм памяти, что опровергается печальным опытом клинической смерти, когда мозг перестает получать необходимое кровоснабжение и примерно через 6 минут после клинической смерти начинаются необратимые процессы и безвозвратно исчезают воспоминания. Если бы у памяти был энергонезависимый источник она могла бы восстановиться, но этого не происходит, что означает динамичность памяти и постоянные энергозатраты на ее поддержание.
Важно знать, что нейроны, определяющие память человека, находятся преимущественно в неокортоксе. Неокортекс содержит порядка 11млрд. нейронов и в разы больше глии. (Глия – тип клеток нервной системы. Глия является средой для нейронов глиальные клетки служат опорным и защитным аппаратом для нейронов. Метаболизм глиальных клеток тесно связан с метаболизмом нейронов, которые они окружают.
Глии, связи нейронов:
Хорошо известно, что в памяти информация хранится разное время, существуют такие понятия как долговременная и кратковременная память. События и явления быстро забываются, если не обновляются и не повторяются, что очередное подтверждение динамичности памяти. Информация определенным образом удерживается, но в отсутствии востребованности исчезает.
Как говорилось ранее, память – энергозависимый процесс. Нет энергии – нет памяти. Следствием энергозависимости памяти является нестабильность ее содержательной части. Воспоминания о прошедших событиях фальсифицируются во времени вплоть до полной неадекватности. Счета времени у памяти нет, но его заменяет скорость забывания. Память о любом событии уменьшается обратно пропорционально времени. Через час забывается ½ от всего попавшего в память, через сутки – 2/3, через месяц – 4/5.
Рассмотрим принципы работы памяти, исходя из биологической целесообразности результатов ее работы. Физические компоненты памяти состоят из нервных путей, объединяющих одну или несколько клеток. В них входят зоны градуального и активного проведения сигналов, различные системы синапсов и тел нейронов. Представим себе событие или явление. Человек столкнулся с новой, но достаточно важной ситуацией. Через определенные сенсорные связи и органы чувств человек получил различную информацию, анализ события завершился принятием решения. При этом человек доволен результатом. В нервной системе осталось остаточное возбуждение – движение сигналов по сетям, которые использовались при решении проблемы. Это так называемые «старые цепи» существовавшие до ситуации с необходимостью запоминать информацию. Поддержания циркуляции разных информационных сигналов в рамках одной структурной цепи крайне энергозатратно. Потому сохранение в пямяти новой информации обычно затруднительно. Во время повторов или схожих ситуациях могут образоваться новые синаптические связи между клетками и тогда полученная информация запомнится на долго. Таким образом, запоминание – это сохранение остаточной активности нейронов участка мозга.
Память мозга – вынужденная компенсаторная реакция нервной системы. Любая информация переходит во временное хранение. Поддержка стабильности кратковременной памяти и восприятия сигналов от внешнего энергетически крайне затратна, к тем же клеткам приходят новые возбуждающие сигналы и, накапливаются ошибки передачи и происходит перерасход энергетических ресурсов. Однако ситуация не так плоха, как выглядит. Нервная система обладает долговременной памятью. Зачастую она так трансформирует реальность, что делает исходные объекты неузнаваемыми. Степень модификации хранимого в памяти объекта зависит от времени хранения. Память сохраняет воспоминания, но изменяет их так, как хочется обладателю. В основе долговременной памяти лежат простые и случайные процессы. Дело в том, что нейроны всю жизнь формируют и разрушают свои связи. Синапсы постоянно образуются и исчезают. Довольно приблизительные данные говорят о том, что этот процесс спонтанного образования одного нейронного синапса может происходить у млекопитающих примерно 3-4 раза в 2-5 дней. Несколько реже происходит ветвление коллатералей, содержащих сотни различных синапсов. Новая полисинаптическая коллатераль формируется за 40-45 дней. Поскольку эти процессы происходят в каждом нейроне, вполне можно оценить ежедневную емкость долговременной памяти для любого из животных. Можно ожидать, что в коре мозга человека ежедневно будет образовываться около 800 млн. новых связей между клетками и примерно столько же будет разрушено. Долговременным запоминанием является включение в новообразованную сеть участков с совершенно не использованными, новообразованными контактами между клетками. Чем больше новых синаптических контактов участвует в сети первичной (кратковременной) памяти, тем больше у этой сети шансов сохраниться надолго.
Запоминание и забывание информации. Кратковременная память образуется на основании уже имеющихся связей. Её появление обозначено оранжевыми стрелками на фрагменте б. По одним и тем же путям циркулируют сигналы, содержащие как старую (фиолетовые стрелки), так и новую (оранжевые стрелки) информацию. Это приводит к крайне затратному и кратковременному хранению новой информации на базе старых связей. Если она не важна, то энергетические затраты на её поддержание снижаются и происходит забывание. При хранении «кратковременной», но ставшей нужной информации образуются новые физические связи между клетками по фрагментам а-б-в. Это приводит к долговременному запоминанию на основании использования вновь возникших связей (жёлтые стрелки). Если информация долго остаётся невостребованной, то она вытесняется другой информацией. При этом связи могут прерываться и происходит забывание по фрагментам в-б-а или в-a (голубые стрелки).»
Из выше сказанного ясно, что мозг динамическая структура, постоянно перестраивается и имеет определенные физиологические пределы, так же мозг чрезмерно энергозатратный орган. Мозг не физиологичен, а морфогенетичен, потому его активности некорректно и неправильно измерять в системах, используемых и применимых в информационных технологиях. Из за индивидуальной изменчивости мозга не представляется возможным делать какие либо выводы обобщающие различные функциональные показатели мозга человека. Математические методы так же не применимы в расчете структурного взаимодействия в работе мозга человека, из за постоянного изменения, взаимодействия и перестраивания нервных клеток и связей между ними, что в свою очередь доводит до абсурда работу американских ученых в исследовании емкости памяти головного мозга человека.
Можно ли переполнить мозг, если много учиться?
Наш мозг вмещает примерно от 3 000 000 000 000 000 до 8 000 000 000 000 000 байт. Или 3–8 петабайт.
Для сравнения, это примерно в тысячу раз меньше объема данных в интернете. Примерно столько же данных можно скачать при помощи торрента Rutracker.org. Короче, это много. Очень.
Как это измерили
Мозг человека (и других млекопитающих) устроен несколько сложнее, чем жесткий диск. Информация хранится и обрабатывается нейронами – нервными клетками мозга. Между ними проходят электрические и химические сигналы – можно сравнить их с проводами. В мозгу человека десятки миллиардов нейронов.
Чтобы измерить количество информации, которую они могут вместить, в 2016 году ученые из США создали компьютерную модель клетки того участка мозга, который отвечает за переработку памяти (он называется гиппокампом).
Гиппокамп – отросток внизу, похожий на улитку
Выяснилось, что в каждой нервной клетке может храниться примерно 4,7 бита информации. Если перемножить как раз и получится несколько петабайт. Кстати, мозг человека – самое эффективное вычислительное устройства из существующих. На поддержание всей этой системы требуется всего 20 ватт в час.
Почему мозг заполняется так медленно
У человека есть специальные механизмы защиты мозга от перегрузки лишней информацией.
Причем, лишней мозг чаще всего считает ту информацию, которую мы наоборот пытаемся запомнить: цифры, даты, имена. А вот совершенно бесполезные для современного человека данные о вкусе, цвете и запахе предметов мозг отлично запоминает. Через много лет можно помнить, как пахли цветы, которые вы нюхали в детстве.
Это неприятные подарок от эволюции: нашим доисторическим предкам не приходилось запоминать имена и даты, важнее для них была дорога к ближайшему малиннику и внешний вид съедобных грибов.
Как информация хранится в мозге
Мы до конца не знаем. Самая популярная и всеобъемлющая теория называется коннекционизмом.
Если коротко, то в мозге нет участка, который хранит воспоминание о вашей собаке. Информация о ней распределена по множеству нейронов. При этом каждый нейрон может быть связан с сотнями воспоминаний: вы используете его же, когда думаете о собаке и когда пытаетесь прочитать и понять эту статью.
Поэтому сравнивать мозг с жестким диском, конечно, не совсем корректно. На жестком диске бит данных относится только к одному файлу. Но вот нейросети, о которых мы так много пишем, работают по тому же принципу.
Как воспоминания перемешиваются
Вы никогда не перепутаете море и слона. В том смысле, что море соленое, мокрое и без ушей, а слон большой, серый и с хоботом. Это пример радикально разной информации.
А вот цитаты имеют свойство легко смешиваться. Бывает, что вспомнишь сам текст, но не можешь назвать автора и источник. А вот это пример однотипной информации.
Чем сильнее информация отличается от того, что вы раньше знали, тем меньше места в памяти она занимает. Мозгу не нужно тратить место, чтобы запомнить, чем одни данные отличаются от других.
Поэтому, кстати, не рекомендуется изучать несколько языков одновременно – перепутаются.
Так можно ли переполнить мозг знаниями?
Нельзя. Дело в том, что информация имеет свойство еще и стираться, если ей не пользоваться.
Особенно быстро информация забывается на первоначальном этапе: в первый месяц после изучения. Но и потом она все равно теряется, хоть и не так быстро. Попробуйте вспомнить, чему вас учили в шестом классе на уроках географии.
Чтобы не забыть то, что вы изучили, придется постоянно повторять пройденное. В какой-то момент это займет абсолютно все ваше время. Поэтому, кстати, нельзя учить 100 иностранных слов в день. Так что единственное ограничение связано именно с этим. Ну или придется смириться с тем, что часть изученного забудется.
Мораль
Короче, учитесь спокойно. Мозг не закончится, не волнуйтесь.
У вас есть свой блог? Зарабатывайте с нами от 10 000 рублей на партнерской программе TeachLine.