как мозг запоминает и хранит информацию

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.

Источник

Можно ли запомнить все на свете? Рассказываем, как работает наша память

Шерлок Холмс запоминает все, представляя, что хранит кусочки информации во «дворце памяти» — метод, зародившийся в древней Греции. Теперь ученые обнаружили, что этот метод действительно работает для создания долговременных воспоминаний. Рассказываем, как вообще мозг запоминает информацию, какие есть мнемонические техники и что такое «метод локусов».

Читайте «Хайтек» в

Как работает память человека?

Память — это не просто то, что происходит в вашем мозге. Вы не можете просто создать воспоминание, вы должны его сформировать. Это не одно и то же.

В мозге человека есть много процессов, большинство из них до сих пор изучается. Например, те, которые определяют, как и почему хранятся воспоминания и как они вызываются. Ученые, в частности нейробиологи, в течение многих лет знают, что состояние человека — молодой он или старый, в стрессе он или нет — может мешать или способствовать процессу кодирования памяти в уме.

Сейчас начинает выясняться еще кое-что. Когда человек что-то забывает, это происходит не из-за того, что у него «плохо работает память». На деле происходит реорганизация мозга, чтобы он мог сосредоточиться на более важных вещах. Существуют даже ведущие теории о том, что мозг хранит в памяти все, что с вами когда-либо происходило. Он просто формирует нейронные пути к воспоминаниям, которые считает важными.

Это может показаться безумием, но есть веские доказательства этой теории, сообщает Interesting Engineering. Есть определенные клинические расстройства, которые заставляют людей вспоминать все, что с ними когда-либо происходило. Как мальчик на видео ниже:

Воспоминания, или, скорее, нейронные пути, которые используются для их вызова, усиливаются с каждым разом, когда мы воскрешаем определенные события в памяти. Активная практика восстановления воспоминаний, например, подготовка к экзамену, улучшит способность вашего мозга к запоминанию.

Итак, как же тогда мы можем лучше запоминать что-то, если уже понимаем основной принцип?

Лучшие способы запомнить

Несколько исследований ведущих психологов и нейробиологов показывают, что выполнение викторин, практика и успешное запоминание чего-либо намного лучше, чем обычные попытки запомнить что-либо. В этих исследованиях учащиеся специально использовали различные средства запоминания, чтобы выучили слова иностранного языка.

Некоторые группы просто учили переводы слов. Другие применял различные техники. Спустя 7 дней после начала эксперимента те ученики, которые не применяли никаких техник, выучили 25% слов или ниже. Другие студенты выучили 80% слов. На основании фактических данных исследователи пришли к выводу, что такие методы обучения, как карточки или постоянные опросы, помогают учащимся сохранить воспоминания. Эти же принципы можно применить для закрепления воспоминаний в голове.

Есть еще один способ, который появился еще в древней Греции, а благодаря персонажу сэра Артура Конана Дойля стал обсуждаемым и наше время.

Какие есть техники запоминания?

Рабочая память (РП), также известная как оперативная, — это совокупность процессов, позволяющих нам хранить и временно использовать информацию с целью осуществления таких комплексных когнитивных задач, как понимание речи, чтение, применение математических способностей, обучение или рассуждение. Рабочая память является одним из видов кратковременной памяти.

Согласно модели Бэддели и Хитча, рабочая память состоит из трех систем и включает компоненты как хранения, так и обработки информации.

Центральный управляющий элемент: работает как система наблюдения за вниманием, которая решает, на что нам обращать внимание, а на что нет, а также организовывает последовательность действий, которые необходимо произвести для осуществления вида деятельности.

Фонологическая петля: позволяет нам удерживать в памяти письменный и устный материал.

Зрительно-пространственный набросок: помогает нам управлять визуальной информацией и сохранять ее.

Эпизодический буфер: используется для объединения информации из фонологической петли и визуально-пространственного наброска, построения целостного эпизода и для связи с долговременной памятью.

Мы ежедневно используем рабочую (или оперативную) память при выполнении различного рода задач. Когда пытаемся вспомнить номер телефона до того, как записать его. Когда мы участвуем в разговоре, нам нужно удержать в памяти то, что только что сказали, чтобы обработать эту информацию и высказать свою точку зрения. Когда в школе или университете мы конспектируем лекции, нам необходимо запомнить, что сказал преподаватель, чтобы потом записать это своими словами. Когда пересчитываем в уме стоимость наших покупок в супермаркете, чтобы понять, хватит ли нам денег.

Метод локусов (другие названия — метод мест, дворец памяти, чертоги разума, пространственная мнемоника) — мнемонический (то есть помогающий развитию памяти) метод, изложенный еще в древнеримских трактатах, посвященных риторике. Основан на мысленно-пространственных ассоциациях, целью которых является создание, упорядочивание и дальнейшее использование всего содержимого человеческой памяти. Использование подобного метода упорядочивания и хранения информации можно наблюдать во многих трудах по психологии и нейрологии, при том, что он использовался также в первой половине XIX века в работах на тему риторики, логики и философии.

Практически все известные нам нюансы тренировок памяти времен античности были описаны между 86 и 82 гг. до н. э. в коротком анонимном учебнике «Риторика для Геренния».

Этот метод часто используют на соревнованиях мнемоников, когда конкурсанты должны запомнить по 500 разных цифр за 15 минут или последовательность 100 предметов, на запоминание которых дается всего по несколько секунд.

Просто посмотрите видео ниже, чтобы увидеть, насколько эффективна эта методика для запоминания тысяч цифр числа Пи.

Ученые решили наконец-то проверить в клинических условиях, какой метод запоминания лучше.

Исследование «чертогов памяти»

Шерлок Холмс запоминает все, представляя, что хранит кусочки информации в «чертогах памяти». Теперь исследователи обнаружили, что этот метод действительно работает для создания долговременных воспоминаний.

Согласно исследованию, опубликованному в Science Advances, тренируясь с этим методом, лучшие чемпионы мира по запоминанию могут запоминать непомерно большой объем информации, такой как списки слов, серии цифр и колоды карт. Но на чемпионате мира по памяти проверяется только кратковременная память, и лишь несколько исследований изучали мозг, поскольку люди используют этот метод для улучшения памяти.

«Мы были очарованы тем, как возможны такие выдающиеся показатели памяти, которые были продемонстрированы на чемпионате мира по запоминанию», — сказала ведущий автор Изабелла Вагнер, женщина-когнитивный нейробиолог Венского университета.

По ее словам, метод локусов использует хорошо известные места или маршруты в качестве «каркаса» или «структуры» для встраивания новой, несвязанной информации. Сочетание предшествующих знаний — знакомого пути — и новой информации помогает улучшить память.

Чтобы оценить метод локусов, Вагнер и ее команда привлекли 17 «чемпионов по запоминанию» — людей, которые вошли в число 50 лучших в мире соревнований по запоминанию, и 16 человек, у которых был подходящий возраст и интеллект. Исследователи провели сканирование мозга участников с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии ( фМРТ ), попросив их изучить случайные слова из списка. Затем ученые дали участникам по три слова из списка и попросили их вспомнить, были ли слова в том же порядке, что и ранее изученные.

Команда использовала этот тест, чтобы определить «слабые воспоминания», или те, которые можно было вспомнить через 20 минут, но не через 24 часа, и «устойчивые воспоминания», или те, которые можно было вспомнить через 24 часа. Четыре месяца спустя исследователи повторно проверили способность участников запоминать и вспоминать слова.

Что в итоге?

Как и ожидалось, участники показали лучшую и долговечную память после тренировки с методом локусов, чем после тренировки с другой техникой памяти или вообще без техники. Участники, которые тренировались по древнему методу, показали значительное увеличение долговременных воспоминаний, но незначительное изменение слабых воспоминаний (или краткосрочных воспоминаний, которые исчезли через 20 минут) по сравнению с контрольными группами.

Через 20 минут люди, которые были обучены методом локусов, запомнили около 62 слов из списка, тогда как те, кто обучался с помощью другого метода, запомнили 41, а те, кто вообще не тренировался, вспомнили 36. Через 24 часа люди, прошедшие обучение по методу локусов, запомнили около 56 слов против 30 и 21 в контрольных группах соответственно.

Четыре месяца спустя люди, обученные методу локусов, могли запомнить около 50 слов против 30 и 27 в контрольных группах соответственно. Более того, чемпионы мира по запоминанию и участники, которые тренировались по методу локусов, продемонстрировали схожую мозговую активность при запоминании списков слов и их порядка.

Команда также наткнулась на кое-что неожиданное: пока и чемпионы мира, и участники выполняли эти задачи, активность их мозга снижалась в областях, обычно связанных с обработкой памяти и долговременной памятью, сообщила Вагнер Live Science. «Это было несколько неожиданно для нас, поскольку лучшая производительность обычно связана с повышенным вовлечением различных областей мозга», — сказала она.

Другими словами, они обнаружили, что меньшая активация мозга приводит к лучшей памяти. Похоже, что метод локусов побуждает мозг работать более эффективно. Кроме того, пока участники отдыхали, у тех, кто был обучен методу локусов, увеличилась связь мозга между другими причинами, важными для сохранения долговременной памяти.

Число Пи – математическая константа, которая выражает отношение длины окружности к её диаметру. Равна приблизительно 3,141592653589793238462643…

Функциональная магнитно-резонансная томография, функциональная МРТ или фМРТ — разновидность магнитно-резонансной томографии, которая проводится с целью измерения гемодинамических реакций (изменений в токе крови), вызванных нейронной активностью головного или спинного мозга. Этот метод основывается на том, что мозговой кровоток и активность нейронов связаны между собой. Когда область мозга активна, приток крови к этой области также увеличивается. фМРТ позволяет определить активацию определенной области головного мозга во время нормального его функционирования под влиянием различных физических факторов (например, движение тела) и при различных патологических состояниях.

Мнемоника, мнемотехника — совокупность специальных приёмов и способов, облегчающих запоминание нужной информации и увеличивающих объём памяти путём образования ассоциаций (связей): замена абстрактных объектов и фактов на понятия и представления, имеющие визуальное, аудиальное или кинестетическое представление, связывание объектов с уже имеющейся информацией в памяти различных типов модификации для упрощения запоминания.

Источник

Где хранится наша память, как можно картографировать мозг и почему внимание — это фикция

Нейронауки — активно развивающаяся научная сфера, регулярные успехи в которой очевидны даже неспециалисту, но при ближайшем рассмотрении оказывается, что природа некоторых якобы очевидных вещей остается для ученых тайной за семью печатями. К их числу относятся, например, память и внимание: рассказываем о том, как они, еще недавно вполне нам понятные, благодаря современным исследованиям опять сделались загадочными и неизученными — а значит, снова стали интересными.

Мозг — не место для памяти?

Представители нейронаук не первый год заняты локализацией различных когнитивных процессов: они ищут конкретные отделы человеческого мозга, отвечающие за те или иные высшие психические функции. Если верить отчетам, ученые уже обнаружили области, связанные с аппетитом, страхом, азартом и даже способностью распознавать ложь, не говоря уже о восприятии собственной личности. Но место, где могла бы «храниться» наша память, до сих пор не найдено.

«Первый, кто откроет эту зону, наверняка будет удостоен не только Нобелевской премии, но и войдет в когорту самых выдающихся деятелей науки», — считает советский и российский биолог, специалист в области клеточных механизмов памяти и обучения Павел Балабан.

Считается, что память состоит из:

0,5 секунды), слуховая — в эхоическую (3–8 секунд);

— рабочей — кратковременной — памяти (

Вспоминая что-то, мы не извлекаем информацию из некоего хранилища. Воспоминания всякий раз создаются заново.

Российский нейробиолог Константин Анохин считает, что информация «путешествует», формируясь в одних структурах мозга и «извлекаясь» из других. Всякий раз, когда мы что-то «вспоминаем», мы «забываем» это, заменяя новым, — можно сказать, что мозг «перезаписывает» воспоминания, хотя это определение и некорректно, поскольку носитель памяти, повторимся, пока не обнаружен.

Американский психиатр, нейробиолог и профессор биохимии Эрик Кандел сравнивает мозг с монтажной схемой из невообразимого количества точек контактов нейронов. Возьмем подопытную собаку: если при включении света ударить ее легким разрядом тока, загоревшаяся лампочка всякий раз будет вызывать стресс, страх и в целом неприятные ощущения. Если давать мясо при каждом «световом сигнале», собака «забудет» страх и «полюбит» свет — включенная лампа станет для нее предвестником радостных событий. Упрощенно говоря, так происходит потому, что в каждом случае информация о свете попадает в разные зоны мозга. В первом — в отвечающие за оборону, во втором — за пищеварение.

Кандел утверждает, что так происходит из-за прионоподобных белков, выступающих «маршрутизаторами» в точках контактов нейронов.

Старея, прионы передают информацию новой поросли — это процесс так называемой белковой наследственности, протекающий между белками без участия ДНК.

Эту гипотезу в качестве объяснения механизма памяти предлагает Кандел.

Полная картография нашего мозга невозможна?

Проект картографирования всех точек соединения нейронов называется коннекто́м (англ. connectome). Пока удалось описать только коннектом червя-нематоды размером около 1 мм, чья нервная система состоит из немногим более 300 нейронов.

Что же касается описания коннектома человеческого мозга, в котором

86 млрд нервных клеток, — до сих пор нет даже общего представления о масштабах этого проекта.

Ясно лишь, что он куда сложнее, чем расшифровка человеческого генома или даже протеома (совокупности белков).

Ученые, например, предпринимают попытки описать таким образом мозг крысы. «Закартрировали участок размером со спичечную головку — это заняло терабайты памяти. И непонятно, что с таким объемом информации делать», — говорит российский антрополог и популяризатор науки Станислав Дробышевский. Он подчеркивает, что проблема еще и в том, что осмыслить результаты этих исследований мы пытаемся «всё тем же мозгом, который уже не вмещает информацию о нем самом — получается замкнутый круг». Для понимания работы нашего мозга нужен «больший, чем наш, мозг».

Все люди — киборги?

Философ и ученый Энди Кларк как раз считает, что человеческий разум — всегда нечто большее, чем то, что «происходит внутри древней крепости из кожи и черепа».

Кларк размывает границы между «внутренним разумом» и «внешним миром» и утверждает, что человеческий ум всегда был экстернализован — расширен вовне.

Разум по Кларку — это то, что рассеяно в окружающих нас вещах, экстернальных средствах сохранения и удержания информации, будь то бумажный блокнот, дорожный знак, магазинная вывеска или компьютер.

В этом смысле все мы — ни много ни мало — киборги. И всегда были таковыми.

Кларк отвергает идею обособленного «я», но считает перспективным не только «расширение вовне», но и вглубь, поскольку «сознание есть огромная, тихая пещера подземных ментальных механизмов, с ее трубами, синапсами и электрическими импульсами, которые образуют пульсирующий субстрат самости. Когда вы думаете обо всех этих фундаментальных механизмах — древних и общих с другими млекопитающими и далекими предками сознание может показаться просто поверхностным феноменом, пользовательским интерфейсом, затемняющим реальные работы на нижних уровнях».

Внимание — это фикция?

Первую теоретическую модель внимания — теорию фильтра — создал английский экспериментальный психолог Дональд Бродбент.

Согласно этой теории, нервная система осуществляет селекцию, работая как одиночный коммуникационный канал (при этом входов множество). Выбор той или иной информации может зависеть от состояния организма, внешних физических условий (громкость звука, например) или психологических установок (настрой на принятие той или иной информации). Остальные каналы фильтр блокирует, но «невостребованное какое-то время хранится в блоке кратковременного хранения, и затем может пройти через коммуникационный канал — если произошел сдвиг селективного процесса с одного класса сенсорных событий на другой».

В дальнейшем эту модель расширила исследовательница психологии внимания Энн Трисман. Согласно ее выводам, весь поток информации поступает через множество параллельных каналов. Одни сигналы фильтр «пропускает», другие — ослабляет. И первые, и вторые проходят через «логический анализатор», функционирующий на базе условного «словаря индивида».

А датский психолог, философ и педагог Эдгар Рубин в своем докладе с говорящим названием «Несуществование внимания» сделал более радикальные выводы:

«Термин „внимание“ не обозначает ничего определенного и конкретного чтобы поставить ему в соответствие некую реальность.

Когда, например, некто Майер смотрит в свою тетрадь, то псевдонаучно это можно выразить так: „Майер направил свое внимание на тетрадь“.

По-видимому, говорят так не только ради изысканности выражения, но также и для того, чтобы открыть дорогу опасному недоразумению, будто в нашей познавательной жизни имеется некий прожектор, который перемещается то туда, то сюда по воспринимаемому предмету.

Воспринимаемых предметов нет в наличии, но они как будто только того и ждут, чтобы внимание как некий прожектор высветило их, они возникают лишь при содействии всех субъективных условий».

Не исключено, что память и внимание — всего лишь конструкты. Культурные, социологические, философские. Как бы там ни было, пока вопросов больше, чем ответов.

Источник