Нейробиология Память

Виды и формы памяти

Энграмма – след памяти, сформированный в результате обучения

Процессы, связанные с памятью: Кодирование, в процессе которого выделяется та информация, которая должна храниться; Консолидация – переход информации в долговременную память; Хранение и связывание новой информации с уже хранящейся; Воспроизведение (извлечение) из памяти (!). Забывание. Забывание может быть связано с различными факторами.

Этапы формирования памяти (по Д.Хеббу, 1949): 1. Кратковременная память – неустойчивый след памяти. Для кратковременной памяти характерен ограниченный объем информации (7±2 единицы), быстрое угасание и разрушаемость под воздействием большого числа факторов 2. Долговременная память – устойчивый след памяти Процесс перехода кратковременной памяти в долговременную называется консолидацией. Примечание: кратковременная память не эквивалентна рабочей (оперативной памяти)!

Временная организация памяти: 1. Сенсорная память: порядка ½ секунды (иногда до нескольких минут) 2. Кратковременная (краткосрочная ) память: минуты, десятки минут [3. Промежуточная память (период консолидации): несколько часов (?)] 4. Долговременная (долгосрочная ) память: дни, месяцы, годы

Increasing the digit span by practice (and the development of associational strategies). During many months involving one hour of practice a day for 3–5 days a week, this subject increased his digit span from 7 to 79 numbers. Random digits were read to him at the rate of one per second. If a sequence was recalled correctly, one digit was added to the next sequence.

The retention of briefly presented information depends on past experience, context, and its perceived importance. (A) Board position after whites twenty-first move in game 10 of the 1985 World Chess Championship between A. Karpov (white) and G. Kasparov (black). (B) A random arrangement of the same 28 pieces. (C, D) After briefly viewing the board from the real game, master players reconstruct the positions of the pieces with much greater efficiency than beginning players. With a randomly arranged board, however, beginners perform as well or better than accomplished players.

Ким Пик (Kim Peek) – человек с уникальной памятью. Ким прочитывает страницу за секунд, сразу запоминая ее наизусть. В его памяти хранится 9 тыс. книг, охватывающих огромные области знания от Шекспира до композиторов и карт всех крупных городов США. В мозге Кима обнаруживается множество аномалий, в том числе отсутствие мозолистого тела. У него также деформирован мозжечок, из- за чего многие простые движения в быту даются ему с трудом. В отличие от подавляющего большинства людей с феноменальной памятью, страдающих аутизмом и умственной отсталостью, Ким смог отчасти избавиться от своего аутизма, а недавно неплохо освоил игру на фортепиано. Послужил прототипом главного героя фильма «Человека дождя», хотя автобиографические детали в фильме не соответствуют реальности. Сходный случай описан в книге Лурия А.P. Маленькая книжка о большой памяти,1968.

1. Рабочая память - сохранение информации в пределах одного опыта (какие рукава лабиринта были посещены в данном опыте); хранение информации, необходимой для решения конкретной текущей задачи 2. Референтная память (=семантическая память?) сохранение информации об общей структуре лабиринта в целом. Виды памяти, определяемые в экспериментах с радиальными лабиринтами, созданных для изучения пространственной памяти, а также во многих других задачах:

Память Декларативная (эксплицитная) Недекларативная (имплицитная) ЭпизодическаяСемантическая ПроцедурнаяПерцептуальная Виды памяти (долговременной?) Декларативная память осознается, недекларативная – практически не осознается Примечание: иногда выделяют также автобиографическую память как промежуточную между эпизодической и семантической. Э. Тульвинг относит автобиографическую память к эпизодической подсистеме в предложенной им дихотомии семантической - эпизодической подсистем памяти.

Амнезии и поиск структур, связанных с памятью

Амнезия – нарушение процессов памяти (запоминания, хранения, воспроизведения). Ретроградная амнезия – пациент не способен вспомнить материал, предшествующий травме; Антероградная амнезия – пациент не может вспомнить новый (только что предъявленный) материал.

MRI images of the brain of patient H.M. (A) Sagittal view of the right hemisphere; the area of the anterior temporal lobectomy is indicated by the white dotted line. The intact posterior hippocampus is the banana-shaped object indicated by the white arrow. (B–D) Coronal sections at approximately the levels indicated by the red lines in (A). Image (B) is the most rostral and is at the level of the amygdala. The amygdala and the associated cortex are entirely missing. Image (C) is at the level of the rostral hippocampus; again, this structure and the associated cortex have been removed. Image (D) is at the caudal level of the hippocampus; the posterior hippocampus appears intact, although somewhat shrunken. Outlines below give a clearer indication of the parts of H.M.s brain that have been ablated (black shading).

При поражении гиппокампа и других областей медиальной части височной доли (а также медиодорсального таламуса) нарушается декларативная память, возникает как антероградная амнезия (нарушение запоминанию нового материала), так и некоторая ретроградная амнезия (вплоть до нескольких лет, предшествующих операции или травме). Память на более отдаленные события сохраняется в норме. Интеллект в норме или даже выше нормы. Процедурная память у этих больных не нарушена и не отличается от таковой у здоровых людей.

Причины некоторых случаев амнезии

Brain areas that, when damaged, tend to give rise to declarative memory disorders. By inference, declarative memory is based on the physiological activity of these structures. (A) Studies of amnesic patients have shown that the formation of declarative memories depends on the integrity of the hippocampus and its subcortical connections to the mammillary bodies and dorsal thalamus. (B) Diagram showing the location of the hippocampus in a cutaway view in the horizontal plane. (C) The hippocampus as it would appear in a histological section in the coronal plane, at approximately the level indicated by the line in (B).

У животных при разрушении гиппокампа выработка простых условных рефлексов даже облегчается, однако сильно нарушается выработка контекстных (обстановочных) условных рефлексов (например, на цвет и рисунок обоев в качестве контекстного условного стимула). Также при разрушении гиппокампа полностью исчезает возможность ориентироваться в пространстве по внешним ориентирам.

Spatial learning and memory in rodents depends on the hippocampus. (A) Rats are placed in a circular tank about the size and shape of a childs wading pool filled with opaque (milky) water. The surrounding environment contains visual cues such as windows, doors, a clock, and so on. A small platform is located just below the surface. As rats search for this resting place, the pattern of their swimming (indicated by the traces in C) is monitored by a video camera. (B) After a few trials, normal rats rapidly reduce the time required to find the platform, whereas rats with hippocampal lesions do not. Sample swim paths of normal rats (C) and hippocampal lesioned rats (D) on the first and tenth trials. Rats with hippocampal lesions are unable to remember where the platform is located.

Изучение больных с амнезией, а также открытие длительной потенциации (удобной экспериментальной модели памяти) в гиппокампе привело к ошибочной точке зрения, что гиппокамп и является местом хранения памяти. На самом деле, видимо, гиппокамп необходим для кодирования и консолидации декларативной памяти, а также, возможно, ее воспроизведения, однако сама по себе долговременная память хранится преимущественно не в гиппокампе.

«Считается, что долговременная память связана с ассоциативной корой. В адресации памятных следов в определенные участки коры важную роль играют медиальные отделы височной области полушарий, включающие энторинальную кору и гиппокамп … Вышеназванные образования имеют обширные связи как между собой, так и с проекционными (теми, куда приходят сигналы от органов чувств) и ассоциативными отделами коры. При запоминании они направляют сигнал в ассоциативную кору для длительного удержания в памяти, а при необходимости вспомнить - указывают адрес, где хранится связанная с поступившим сигналом информация. Приведем простой пример. Долговременная память соответствует книгохранилищу в библиотеке, а гиппокампальный комплекс можно сравнить с каталогом, который показывает, где хранится нужная книга.» А.М.Иваницкий

Согласно наблюдениям над пациентами с амнезией и экспериментам над животными, гиппокамп имеет большее значение для эпизодической памяти (которая всегда связана с контекстом, в котором произошел эпизод), а парагиппокампальная область (энторинальная, периринальная и парагиппакампальная области коры) связаны с семантической памятью («чистое знание»).

Connections between the hippocampus and possible declarative memory storage sites. The rhesus monkey brain is shown because these connections are much better documented in non-human primates than in humans. Projections from numerous cortical areas converge on the hippocampus and the related structures known to be involved in human memory; most of these sites also send projections to the same cortical areas. Medial and lateral views are shown, the latter rotated 180° for clarity.

Декларативная память хранится во всех специализированных ассоциативных областях коры больших полушарий. Согласно данным томографических исследований на людях, при воспоминании изображений или звуков активируются те же самые области коры, что и при их восприятии соответствующих стимулов. (см. след. рис.)

Reactivation of visual cortex during vivid remembering of visual view images. (A) Subjects were instructed to view either images of objects (houses, faces, and chairs) (left) or imagine the objects in the absence of the stimulus (right). (B) (Left) Bilateral regions of ventral temporal cortex are specifically activated during perception of houses (yellow), faces (red), and chairs (blue). (Right) When subjects recall these objects, the same regions preferentially activated during the perception of each object class are reactivated.

Процедурная память также широко распространена по всей коре больших полушарий, и связана преимущественно с сенсорными и моторными областями коры, а также с мозжечком.

Механизмы синаптической пластичности

Дональд Хебб (Donald O. Hebb)

Правило Хебба (1949 г.): «Если аксон клетки А расположен настолько близко к клетке В, что может возбуждать ее, и если он многократно и непрерывно принимает участие в ее активации, то в одной или обеих клетках возникают какой-то процесс роста или метаболические изменения, и в результате эффективность клетки А как одного из активаторов клетки В возрастает». Примечание: подразумевается, что клетка B может быть активирована каким-то другим способом, помимо синапса с клетки A – т.е. либо имеются и другие входы на клетку B, причем сильные, либо клетка B спонтанно активна. A B B A

Синапс Хебба и условный рефлекс УС БС БР или УР Исходно слабая синаптическая связь, которая усиливается при совпадении во времени пресинаптической и постсинаптической активности (синапс Хебба) Исходно сильная синаптическая связь

Утолщение и укорочение шейки шипика, что снижает его электрическое сопротивление Больше постсинаптических рецепторов, сильнее реакция на нейромедиатор Дендритный шипик Выделение большего количества нейромедиатора Спраутинг: образование новой дополнительной терминали Четыре возможных способа повышения эффективности синапса

Механизмы синаптической пластичности. Клеточные аналоги условного рефлекса.

Строение гиппокампа Гиппокамп Коллатерали Шаффера Зубчатая фасция Перфорантный путь

В гиппокампе есть три главных синаптических пути, каждый из которых способен к длительной потенциации

Эксперимент на переживающем срезе гиппокампа

Схема эксперимента по получению длительной потенциации в гиппокампе Поле CA3 Зубчатая фасция Регистрация из зубчатой фасции Стимуляция перфорантного пути Энторинальная кора Поле CA1

Пример ДП в перфорантном пути, записанной in vivo.

Когда молекула глутамата связывается с NMDA- рецептором, кальциевые каналы не могут открыться, поскольку заблокированы ионами магния NMDA - рецептор Молекула глутамата Деполяризация мембраны как следствие развития ВПСП в данном или соседних синапсах заставляет ионы магния покинуть кальциевые каналы Когда теперь молекула глутамата связывается с NMDA-рецептором, канал открывается и кальций беспрепятственно входит внутрь клетки. В цитоплазме клетки вошедшие ионы кальция запускают каскад процессов, обеспечивающих длительную потенциацию

Ассоциативная длительная потенциация Поле CA3 Поле CA1 Зубчатая фасция Энторинальная кора Слабый стимул W1 Слабый стимул W2 Сильный стимул S Регистрация ВПСП Усиление ВПСП, % Сочетание W1 c S Сочетание W2 c S

Механизмы кратковременной и долговременной памяти

Вероятно, кратковременная память, как и долговременная, хранится непосредственно в тех же структурах, которые отвечают за данную функцию.

При кратковременной памяти синаптические изменения носят нестойкий характер, поэтому эта память сохраняется постольку поскольку существует соответствующая нервная активность. Нервная активность может поддерживаться за счет так называемой реверберации (многократного прохождения сигнала по цепочкам нервных клеток) или каких-то сходных более сложных процессов циркуляции сигнала в нейронных сетях. Любое изменение нервной активности (например, при поступлении новых сигналов, а также любое травматическое воздействие) ведет к разрушению кратковременной памяти. Явления ретроградной амнезии наблюдались в экспериментах с животными, которым электрошок наносился сразу после обучения, но он был неэффективен, если наносился спустя некоторое время после процедуры обучения. При сильном сотрясении мозга человек не может вспомнить обстоятельства своей травмы (ретроградная амнезия), так как воздействие удара на мозг разрушило кратковременную память, не дав ей перейти в долговременную.

Реакции нейронов префронтальной коры в эксперименте с отсроченным ответом. Когда обезьяна фиксирует взор на центральном пятне, на экране (слева) вспыхивает и затем исчезает цель. Во время длящейся несколько секунд отсрочки обезьяна хранит об этой цели «мысленную" память (в центре). Когда центральное пятно исчезает, животное переводит взгляд туда, где появлялась цель (справа). Некоторые нейроны префронтальной коры реагируют на появление цели, другие сохраняют о ней «мысленную» память, а третьи разряжаются, подготавливая двигательный ответ. (Гольдман- Ракич, 1992)

Итак, в основе процессов кратковременной памяти лежит временное повышение проводимости в синапсах, связывающих определенные нейроны, и реверберация импульсов, основанная на ряде химических и электрохимических реакций, не связанных с синтезом макромолекул.

Широкое распространение получила гипотеза, которая была впервые сформулирована Д. Хеббом (1949): кратковременная память представлена динамической, легко прерываемой электрической активностью, тогда как долговременная память связана с более стойкими структурными изменениями (например, белков мозга). Этот процесс в дальнейшем получил название консолидации следов памяти.

В экспериментах на животных было показано, что обязательным требованием для консолидации следа памяти является синтез белка и РНК во время периода консолидации. Блокада хотя бы одного из этих процессов в течение первого часа после обучения приводила к полному разрушению памяти, однако в более позднее время блокада синтеза белка и РНК уже не влияет на образование долговременной памяти.

В результате в конце 60-х –начале 70-х гг. распространилась точка зрения, что консолидация представляет собой запись памяти в некотором коде непосредственно в молекулах РНК и/или белка. Казалось бы, эксперименты с переносом памяти в виде экстракта спинномозговой жидкости подтверждали эту теорию.

На самом деле последовательность событий примерно такая: 1. Кратковременные нестойкие изменения в синапсах возникают согласно правилу Хебба 2. При условии того, что клетка продолжает быть активной и в тело клетки входят ионы кальция, в ядре запускается сложный каскад процессов (с участием CREB), который в конечном счете ведет к синтезу определенных белков. 3. Эти белки распространяются в цитоплазме клетки безадресно, но способны встроиться лишь в те синапсы, которые в данный момент несут кратковременные изменения. 4. Встраивание этих синтезированных белков в измененные синапсы позволяет превратить нестойкие изменения в устойчивые. 5. Блокада любого звена этой цепочки процессов не дает кратковременной памяти перейти в долговременную.

1. Сильная стимуляция деполяризует клеточную мембрану. 2. Деполяризация заставляет клетку разрядиться потенциалом действия. 3. Потенциал-чувствительные кальциевые каналы открываются. 4. Ионы кальция активируют ферменты, которые активируют CREB. 5. CREB активирует гены, ответственные за белки, усиливающие синаптическую связь. 6. Белки распространяются по всей клетке, оказывая влияние только на те синапсы, сила которых временно увеличена.