Текст книги "100 великих тайн сознания"

ПРИОН – ОСНОВА ПАМЯТИ?

Итак, как же наша память сохраняет тот огромный массив информации, который накапливается в ней в течение жизни? Это – один из основных вопросов науки о мозге. Множество теорий пытается дать на него ответ. И, согласно одной из них, важную роль в процессе запоминания играют прионы. То есть те структуры, которые являются возбудителями тяжелых психических заболеваний: например, «коровьего бешенства» у животных и «болезни Кройцфельда-Якоба» у людей.

Поражение тканей головного мозга при болезни Кройцфельда-Якоба

Конечно, предполагать, что белок, который вызывает болезни мозга, является в то же время и носителем памяти, довольно рискованно. И тем не менее такая гипотеза не только существует, но и имеет под собой довольно основательный фундамент.

Если же говорить о запоминании вообще, то следует сказать, что этот процесс предполагает образование в мозгу некоего аналога тем явлениям, переживаниям или образам, которые человек получает из внешнего мира посредством органов чувств или конструирует в своем сознании.

Что это за аналог, специалисты пока сказать не могут, и поэтому на эту роль выдвигают разные биологические структуры: например, рибонуклеиновые кислоты и белки.

Но что касается белков, то, как известно, в большинстве своем они существуют в клетках недолго: дни, часы и даже минуты. И только немногие – всю человеческую жизнь. Выполнив возложенную на них задачу, они распадаются, и на смену им синтезируются другие, согласно генетическим инструкциям. А значит, после разрушения белка исчезает и память о событии или явлении?

Из столь парадоксальной ситуации природа вроде бы нашла оригинальный выход: сохранение информации в нейронных цепях.

Итак, представим себе десятки миллиардов нейронов, очень компактно упакованных в нашей черепной коробке. А также сотни и тысячи миллиардов точек, в которых эти нейроны пересекаются. Легко понять, что в результате этих взаимодействий образуется невероятно сложная сеть контактов. И любой сигнал, попав в такую сеть, может перемещаться по ней в самых разных направлениях. При этом, проходя через нейрон, сигнал, как говорят ученые, «зажигает» его и нейрон «вспыхивает». Это значит, что если сигнал пробегает по множеству нейронов, то он «зажигает» их, и на карте мозга вспыхнет след этого пробега. Другой сигнал, соответственно, промчится по другим нервным клеткам и оставит уже свой, новый след в этой цепи. Таким образом, бесконечное число сигналов проходят своими конкретными путями в сером веществе мозга, оставляя в нем свои следы в виде «зажженных» нейронов. И каждый такой след – это мозговой аналог того воздействия, которое возбудило первичный сигнал.

Но эти бесчисленные пути, которые появились в мозгу после прохождения соответствующих сигналов, – еще не воспоминание. Воспоминанием они станут тогда, когда их можно снова вызвать в сознании, причем неоднократно. А для этого эти следы, как минимум, необходимо каким-то образом сохранить.

Именно эту задачу и выполняют синапсы. И когда данный конкретный сигнал, несущий информацию о каком-то событии или образе, проходит по соответствующей цепи нейронов, то те синапсы, которые соединяют эти нейроны в единый «след», обладают, если говорить проще, большей «проводимостью». А когда один и тот же сигнал проходит по этому пути многократно, в мозгу появляется своеобразная «схема» измененных синапсов. Именно совокупность таких «схем» и формирует нашу память. Сам же процесс «вспоминания» того или иного события – это повторное включение соответствующей ему «схемы».

Процесс этот в деталях далеко еще не ясен, но тем не менее в общих чертах его представить можно. Можно предположить, что как только «волевой импульс» включит несколько первых нейронов «схемы», соответствующей определенному воспоминанию, как дальше сигнал уже «сам собой» побежит по уже известному ему пути, то есть через более проводящие синапсы, вовлекая в работу всю «схему». Этот процесс в некотором приближении можно сравнить с написанием письма в системе «E-mail», когда написание лишь одной или нескольких первых букв электронного адреса получателя письма приводит к появлению его полного адреса.

Помимо нейронных «схем», по которым движутся сигналы, ученых давно интересует, какие механизмы или вещества способствуют «усилению проводимости» синапсов во время прохождения через них нервного сигнала. Найти ответ на этот вопрос ученые попытались, исследуя нейрон морского слизня Aplysia.

В результате проведенных экспериментов было установлено, что если обработать дендрит данного нейрона, который принимает сигналы с другого нейрона, серотонином (веществом-посредником), то это приведет к появлению в нем – и только в нем – особой молекулы, включающей производство нужных белков. Но одно во всей этой модели оставалось непонятным. Если белки, о чем говорилось ранее, распадаются каждые несколько часов или минут, то как же эта белковая молекула может обеспечивать длительное сохранение происшедших в данном дендрите изменений?

Разгадку подсказали прионы – особые белки, которые, в отличие от остальных белков, имеют две устойчивые пространственные конфигурации – растворимую и нерастворимую. Причем нерастворимую конфигурацию они могут сохранять годами.

При этом, когда нерастворимая форма приона входит в контакт с себе подобным образованием, но находящимся в растворимой форме, то каким-то образом нерастворимый прион тоже переводит его в нерастворимую структуру.

Именно это явление и приводит к появлению «коровьего бешенства»: случайно появившийся нерастворимый прион в течение короткого времени «заражает» множество себе подобных, в результате чего в мозгу животного появляются целые скопления нерастворимых белков, которые приводят к гибели целые области мозга.

Изучая этот включающий синапсы белок, названный СПЕВ, ученые обнаружили, что одна его часть похожа на прион. А вскоре было выяснено, что белок СПЕВ и впрямь функционирует, как типичный прион. Более того, оказалось, что особую активность проявляет его нерастворимая форма.

Основываясь на этих данных, ученые предположили, что нервный сигнал, приходящий в определенный дендрит, переводит небольшое количество находящихся там молекул СПЕВ в активную форму. Те же, в свою очередь, переводят в устойчивую активную форму остальные молекулы СПЕВ.

Пока это только гипотеза, тем более построенная на основании изучения одного организма, к тому же, далеко не самого высокоорганизованного. Поэтому ее необходимо проверить на нейронах более сложных организмов, содержащих тот же СПЕВ: дрозофил, мышей и, может быть, людей. И если она подтвердится, это будет значительный шаг в понимании механизма запоминания.

ПЕРЕМЕНЧИВАЯ ПАМЯТЬ

Долгое время считалось, что значительные и яркие события память запечатлевает настолько детально, словно она их фотографирует. Причем с необыкновенной точностью запоминаются не только сами факты, но и те обстоятельства, при которых человек впервые о них услышал. Сохраняться же в памяти они могут десятилетиями.

Катастрофа «Челленджера»

Этот феномен в психологии называется «фотовспышечной памятью». И он вроде бы служил достаточно веским доказательством теории перманентных следов памяти.

Но это устоявшееся мнение было поколеблено американским психологом Ульрихом Найссером. А произошло это следующим образом…

28 января 1986 года на 74-й секунде после старта взорвался американский космический корабль «Челленджер». Погибли 7 астронавтов.

На следующий день после трагедии психолог Ульрих Найссер попросил студентов вспомнить и описать, где и при каких обстоятельствах они услышали о трагедии.

Прошло два с половиной года. И ученый опять попросил студентов написать свои воспоминания о «Челленджере». И, к немалому его удивлению, на этот раз многие студенты описали катастрофу совсем не так, как в первый раз. Причем они ни чуть не сомневались в правильности своих нынешних записей.

Этот опыт очень наглядно демонстрирует, что память вовсе не откладывается в каком-то месте мозга раз и навсегда, не хранится в нем, как старые вещи в кладовой. Наоборот, она постоянно перестраивается и видоизменяется, при этом многие детали хранящихся событий заменяются новыми, которых на самом деле вовсе не было.

Эта гипотеза нашла подтверждение и в проведенном на самом себе опыте датского психолога Стина Ларсена. Ученый не сомневался, что о покушении на шведского премьер-министра Улафа Пальме он услышал дома, во время завтрака с женой. Но каково же было удивление ученого, когда он, просмотрев свои записи, выяснил, что жены рядом с ним в это время не было!

В таком случае почему же она появилась в его воспоминании? А связано это с тем, что наш мозг помимо нашей воли продолжает работать, постоянно возвращаясь к событиям многолетней давности: перемещает их из одной ячейки сознания в другую, попутно анализируя и пересматривая. Причем эту работу он проводит даже во время сна.

В ходе экспериментов было также установлено, что если на мозговое вещество подвергнуть воздействию особых химических препаратов, то они могут усилить или же разрушить долговременную память.

Так, в одном из опытов мышей сначала научили определенным образом реагировать на некий условный сигнал. Затем, через несколько недель, когда соответствующие реакции закрепились в долговременной памяти и, согласно существующим представлениям, их уже невозможно было разрушить, мышам ввели препарат, нарушающий формирование памяти. Но теперь он уже не мог повлиять на поведение животных. И в этом ничего необычного не было.

Но когда перед тем, как ввести препарат, мышам напомнили о событии, которое произошло достаточно давно, то мыши, которые в это время получали препарат, об этом давнем событии вспомнить не могли.

С чем связана такая странная поведенческая реакция, пока неизвестно.

Впрочем, кое-какие выводы в отношении данной реакции можно сделать, исходя из исследований знаменитого кембриджского психолога Фредерика Бартлетта, который работал в начале прошлого века.

Он читал студентам фрагмент индейской легенды о войне двух племен, одновременно демонстрируя иллюстрации разных объектов, например, древнеегипетского символа, похожего на профиль совы.

Спустя какое-то время профессор просил студентов по несколько раз пересказывать ранее прочитанный фрагмент и при этом воспроизводить древний символ. Результаты поразили Бартлетта.

Оказалось, что постепенно, читая текст и сопровождая его рисунками древнего знака, студенты заменяли непривычные образы на хорошо им знакомые. Например, пирога становилась обычной лодкой, а сова – домашней кошкой. Причем студенты ничуть не сомневались, что услышанное и увиденное воспроизводят абсолютно точно.

Эти опыты еще раз подтверждают гипотезу, что при каждом очередном воспоминании наша память трансформируется, обрастая новыми деталями, превращаясь в новое воспоминание. Причем скорее всего, в этом случае в мозге вновь воспроизводятся те молекулярные процессы, которые функционировали при первоначальном запоминании. Когда же ученые с помощью фармакологических препаратов их у мышей нарушили, они тем самым не позволили их старой памяти воссоздаться вновь.

Сегодня это явление стало предметом пристального изучения многих научных лабораторий. И при этом исследователи получают довольно любопытные данные.

Например, было обнаружено, что с помощью особых препаратов можно у животных стирать воспоминания об употреблении ими наркотиков. Это очень важные и перспективные результаты. Ведь извлекая из памяти воспоминания прошлого и воздействуя на них определенными препаратами, можно их или усиливать, или устранять.

Например, лечить острые посттравматические синдромы, от которых страдают люди, побывавшие на войне, оказавшиеся в качестве заложников, пережившие катастрофы и т. д.

Кроме того, этот путь позволит создать вещества, улучшающие запоминание «свежей» информации, а также более эффективное использование сведений из долговременной памяти.

В целом же, проанализировав эти факты, исследователи психических феноменов мозга пришли к выводу, что для их интерпретации необходима новая теория памяти.

Глава 3
В объятиях Морфея

ТАЙНЫ СНА

Человека во все времена интересовал феномен сна и сновидений. Однако долгое время эти удивительные явления оставались для него необъяснимой загадкой. И лишь когда мышление, память и другие психические явления связали с мозгом, ситуация изменилась.

Более того, одно время, когда организм сравнивали со сложно устроенным автоматом, функционирование мозга тоже пытались свести к механическим процессам.

А известный изобретатель Томас Эдисон в свое время новомодными рентгеновскими лучами даже пытался просветить голову, чтобы воочию увидеть, как работает мозг. Но, конечно же, из его затеи ничего не получилось.

Что же касается сна, то почти всегда считалось, что в это время уставший задень механизм мозга просто-напросто отдыхает. Кроме мозга в эти же часы отдыхают мышцы, кости и другие органы человеческого тела. Однако ученым известно много фактов, которые эта теория объяснить не в состоянии.

Так, еще в середине XX века ученые доказали, что энергетические затраты мозга спящего человека лишь на 10–15 % меньше, чем во время неглубокой дремы. А измученные мышцы вполне могут отдохнуть в состоянии покоя.

Участник эксперимента Н. Клейтмана

Выходит, что для организма нет никакого смысла в том, чтобы треть жизни проводить во сне, то есть в состоянии максимальной незащищенности. И вряд ли ради 10-процентного энергетического выигрыша естественный отбор стал бы рисковать целым организмом.

Поэтому логичнее предположить, что сон – это особое состояние мозга, во время которого происходит ряд специфических явлений, влияющих на поведение организма.

Например, во сне животное принимает характерную позу. Например, жирафы спят на коленях, с завернутой вокруг ног шеей, а львы лежат на спине, сложив на груди передние лапы.

Птицы тоже спят, демонстрируя при этом характерные «птичьи» позы. Например, попугаи спят, повиснув на ветке вниз головой. А многие птицы могут спать и стоя, и сидя на яйцах, и даже на лету.

Но спят не только теплокровные животные, но и ящерицы, черепахи, рыбы. Засыпают также раки и насекомые, причем их сон имеет те же характеристики, что и у высших животных.

Многочисленные экспериментальные исследования последних лет позволили выяснить, что сон у животных связан с так называемыми биологическими часами, или циркадными ритмами, длительность которых обычно чуть больше или немного меньше 24 часов.

«Заводятся» эти часы специальными белками, которые реагируют на свет. Именно дневной свет активизирует светочувствительные рецепторы, возбуждение от которых передается группе нейронов мозга с постоянно функционирующими часовыми генами. Часовые гены, в свою очередь, синтезируют особые белки времени, которые при необходимости блокируют работу часовых генов. При этом, чем больше синтезировано часовых белков, тем меньше включено в работу часовых генов.

И продолжается этот процесс до тех пор, пока не перестанут работать часовые гены и не прекратится синтез белков. Через какое-то время эти белки разрушаются, и часовые гены опять начинают функционировать. Причем цикл этот обычно настроен на длину светового дня.

И еще, что тоже очень любопытно: оказывается, часовые гены мухи дрозофилы и млекопитающих очень похожи. А это значит, что циклы сна и бодрствования очень древнего происхождения.

Но сон – явление намного более сложнее, чем проявление одних лишь циркадных ритмов. Хотя бы потому, что при постоянном освещении и животные, и человек тоже засыпают. Этот факт еще в 1962 году на своих сыновьях проверил основатель науки о циркадных ритмах Юрген Ашофф. Двое суток они находились в полной темноте, однако в течение этого времени нормально засыпали, хотя их суточный ритм и сдвинулся на полчаса.

Эти результаты впоследствии были подтверждены многочисленными экспериментами. Хотя и без специальных опытов было известно, что, например, животные Заполярья могут поддерживать суточный ритм сна и во время полярного дня.

Кстати, существует довольно простой способ смещения циркадных ритмов. И обнаружено это было в опытах с крысами. Крыс, которые в естественной обстановке питаются ночью, стали кормить днем. Прошло совсем немного времени, и крысы, являющиеся ночными грызунами, поменяли свой циркадный ритм на прямо противоположный.

Эксперименты с людьми дали те же результаты. А вот механизм этого явления до сих пор остается неизвестным.

Много новых и любопытных сведений дало ученым использование при изучении сна электроэнцефалографов. Впервые их применили в исследованиях этого явления ученые Чикагского университета Н. Клейтман и Ю. Азеринский. А первым их испытуемым стал маленький сын Азеринского, который спокойно спал с электродами на голове, а ученые в течение ночи не сомкнули глаз, с интересом наблюдая за показаниями прибора.

Результаты записей оказались столь неожиданными, что Клейтман уговорил поспать с электродами и свою дочь. Результаты, полученные в эксперименте с сыном, полностью подтвердились.

Оказалось, что когда человек спит, мозг вовсе не бездействует, и его электроэнцефалограмма (ЭЭГ) совсем не похожа на монотонную, как ритм дыхания, синусоиду. ЭЭГ спящего резко отличается от таковой бодрствующего человека, при этом одна фаза последовательно сменяется другой, и местами они никогда не меняются. Продолжительность одного цикла сна – около полутора часов. Всего же в течение ночи сменяется четыре-шесть таких циклов.

Ученые уже давно и подробно описали эти фазы сна. Первая фаза – дремота. Для нее характерно общее расслабление, спокойное биение сердца, медленные круговые движения глазных яблок. Если спящего человека в это время разбудить, он может отрицать, что спал. В этом состоянии мозг излучает альфа-волны. Длится эта фаза недолго: около 5 минут.

Если дремлющего не беспокоить, то дремота переходит во вторую фазу. Она продолжается около 20 минут и отличается от других появлением на ЭЭГ характерных импульсных всплесков высокой частоты и низкой амплитуды – сонных веретен. В этот состоянии мозг генерирует бета-волны.

Третья фаза – глубокий сон. На ЭЭГ появляются высокоамплитудные волны низкой частоты – дельта-волны, которые никогда не наблюдаются в состоянии бодрствования. В этой и следующей фазах глаза совершают медленные движения из стороны в сторону.

Четвертая фаза сна – это еще более глубокий сон. На ЭЭГ дельта-волны, дыхание и сердечный ритм замедляются, температура тела и мозга немного снижается.

И вдруг после 20–30 минут глубокого сна мозг опять возвращается во вторую фазу неглубокого сна, словно пытаясь проснуться. Но вместо просыпания мозг переходит в пятую фазу, называемую РЕМ-сном. Для нее характерно быстрое движение глаз из стороны в сторону (rapid eye movement): отсюда и название фазы.

У спящего человека почти совсем исчезает тонус мышц, то есть появляется так называемая атония. В этой фазе остаются рабочими только мышцы слуховых косточек, глазодвигательные мышцы и диафрагма.

В то же время ЭЭГ мозга принимает вид, характерный для проснувшегося человека. В этой фазе учащается сердечный и дыхательный ритмы, а также поднимается температура и повышается давление. Продолжается РЕМ-сон около 10 минут.

К концу ночи в последних циклах быстрый сон становится продолжительнее. То есть выходит, что у спящего человека при полной его неподвижности мозг чрезвычайно активен. Из-за этого невероятного сочетания признаков РЕМ-сон называют еще и «парадоксальным сном». После того как РЕМ-фаза заканчивается, снова появляются вторая, третья и четвертая фазы.

Когда мозг находится в РЕМ-фазе, человеку снятся самые эмоциональные и зрелищные сны. Одно время ученые даже считали, что только в это время снятся сны. Когда на ЭЭГ появлялись признаки парадоксального сна, спящих будили и спрашивали, видели ли они сны. В 90 % случаев испытуемые указывали, что их и впрямь разбудили в середине сновидения…

В 1983 году в Пенсильванском университете котике разрушили в мозге область, которая отвечает за атонию во время РЕМ-фазы. Но поведение кошки при этом не изменилось: у нее был нормальный сон с нормальной фазой быстрого сна. Однако во время парадоксального сна кошка вставала, начинала исследовать помещения, гонялась за воображаемой мышью, умывалась… То есть кошка демонстрировала исследователям то, что ей в данный момент снилось.

Такие опыты были проведены на многих животных. Они показали, что животным действительно снятся разнообразные сны, за исключением эротических.

Но, как выяснилось, человек видит сны не только в РЕМ-фазе, но и во время медленного сна. Но только эти сны короче и не такие эмоциональные.

Но как мозг создает такую сложную и упорядоченную картину, как сновидение? Павлов считал, что в мозге находится единый центр сна, который осуществляет торможение нейронов мозга. Однако найти этот центр великому физиологу не удалось.

Зато в мозге открыли целых шесть центров бодрствования. Они контролируют работу особых клеток, которые вырабатывают гаммааминомасляную кислоту – основной ингибитор деятельности нейронов. Если этой кислоты накапливается много, то происходит торможение всей системы, в том числе, и центров бодрствования. То есть цикл «сон – бодрствование» функционирует по принципу обратной связи.

Правда, это относится только к засыпанию и медленному сну. Быстрый же сон имеет собственный центр. Он находится в заднем мозге и состоит из клеток, отвечающих за атонию во время РЕМ-фазы, и двух симметричных групп клеток, отвечающих за активацию мозга.

Более того, ученые выделили и особый фермент – орексин, синтезируемый этими группами клеток и принимающий участие в организации быстрого сна.