Подсознание

Глава 10. Реверберация памяти

Исследование механизмов, приводящих к реверберации воспоминаний во сне, — это сага об идеалистах, подобных Дон-Кихоту. Они отважились перейти мост между биологией и психологией, когда об этом еще только начинали задумываться. Интеллект этих ученых-тяжеловесов по масштабу сравним только с их упорством. История изучения реверберации воспоминаний во сне восходит к новаторским исследованиям электрической активации в рекуррентных нейронных цепях, проведенным в 1930-х годах Рафаэлем Лоренте де Но.

Этот блестящий ученик Сантьяго Рамона-и-Кахаля эмигрировал в США из Испании в 1931 году. Пять лет спустя он поселился в Нью-Йорке и устроился на работу в крупный биомедицинский научно-исследовательский институт, который через несколько лет был преобразован в Рокфеллеровский университет.

К этому времени не по годам развитый в научном смысле Лоренте де Но уже стал знаменитостью — на его счету был ряд важных открытий. Он одним из первых предположил колончатую организацию коры головного мозга: группирование нейронов в вертикальные колонки, или цилиндры, работающие как функциональные единицы.

Кроме того, Лоренте де Но одним из первых подробно описал внутреннюю структуру гиппокампа — участка мозга с очень древней эволюционной историей (о чем свидетельствует его присутствие у птиц, рептилий и млекопитающих). Функция гиппокампа на тот момент изучена не была.

Солидная репутация и авторитет в области нейроанатомии позволили Лоренте де Но получить новую академическую должность. У него появилось достаточно ресурсов и свободы, чтобы сделать серьезный методологический скачок и использовать передовую технику для измерения электрической активности нейронов. Эта область исследований, электрофизиология, информативная для понимания всей работы мозга, тогда еще только зарождалась.

Рокфеллеровский университет не скупился на приобретение лучшего оборудования. Лоренте де Но работал в просторной лаборатории с высокими потолками, облицованной медными листами для изоляции от электрических помех. Ученый пытался понять, каким образом активность конкретного нейрона может распространиться на другие клетки, чтобы через некоторое время он вернулся в исходное положение через рекуррентную сеть. Подобных исследований еще не проводил никто в мире.

Лоренте де Но заметил, что определенные мозговые цепи образуют замкнутые петли, способные возвращать электрическую активность в исходное место стимуляции. Ученый заинтересовался траекторией периодических импульсов электрической активности, воздействующих на петлевые цепи вроде гиппокампа. Исходя из большого объема данных по анатомии и электрофизиологии, он предположил: нейронные цепи, включающие замкнутые петли, способны воспроизводить электрический импульс в течение некоторого времени после прерывания стимула и создавать при этом циклы активации, рассеивающиеся только после нескольких повторений.

Идея реактивации замкнутых нейронных цепей, предложенная Лоренте де Но, привлекала нейробиологов на протяжении всего ХХ века. Подобные рекурсивные процессы могут быть — и действительно являются — основой для разного вида существующих в организме ритмов, осцилляторов, биологических часов и физиологических водителей ритма.

После новаторских исследований Лоренте де Но ученые обнаружили в мозге бесчисленные специализированные нейронные цепи, генерирующие рекуррентный (возвращающийся) сигнал, который проходит через многочисленные структуры мозга. Сочетание архитектуры мозга в виде замкнутых цепей, тормозных нейронов, способных временно устранять электрическую активность, и высвобождение разных нейромедиаторов (таких как ацетилхолин) приводит к возникновению ритмов переменной продолжительности. Они характерны для общих состояний мозга вроде бодрствования, медленного и быстрого сна.

Внутри каждого из основных состояний возникают разнообразные подсостояния — в виде длительных эпизодов электрических колебаний в определенных областях мозга. Как мы увидим ниже, эти колебания сосуществуют во времени и пространстве; в определенные моменты связь между областями мозга оптимизируется и возникает гармония.

Но когда идея цепи реверберации пленила богатое воображение канадского психолога Дональда Хебба[111], сложный синтаксис нейронных колебаний был еще совершенно не исследован. Этот ученый услышал о недавних открытиях Лоренте де Но в феврале 1944 года, и его осенило: реверберация электрической активности — это естественный способ хранения информации в памяти.

Возможно ли, что цепи реверберации — это наши кирпичики в построении и сборке воспоминаний, фундаментальные элементы формирования представлений о событиях и объектах? Что электрическая реверберация — это фундаментальный процесс, способный поддерживать накапливаемое обучение в обширной сети нейронов? Нельзя исключить, что нейронная реверберация действительно является ключом к раскрытию нашей невероятной способности формировать новые представления об окружающем мире без потери (многочисленных) ранее сохраненных представлений.

Взбудораженный потенциалом этих идей, Хебб 28 апреля 1944 года попросил Лоренте де Но о месячной стажировке в его лаборатории. Хебб так жаждал сотрудничества с гуру, что предложил себя в качестве бесплатного работника. Однако он не был школяром или новичком. Он учился у лучших физиологов и психологов своего времени сначала в Чикагском университете, а затем в Гарварде.

Защитив диссертацию под руководством Карла Лэшли, Хебб в 1936 году получил должность научного сотрудника в Монреальском неврологическом институте и начал работать под руководством нейрохирурга Уайлдера Пенфилда. Он стал известен благодаря новаторским экспериментам по электрической стимуляции коры головного мозга.

Вот рассказ Пенфилда, прекрасно иллюстрирующий, какие удивительные открытия стали возможны благодаря его методу: здесь описан случай, когда электрическая стимуляция «каким-то образом вызвала воспоминание из прошлого» у подопытного:

Эксперименты Пенфилда продемонстрировали, что простая корковая активация может запускать сновидения в виде цепочек воспоминаний, которые сохраняют смысловое единство и согласованность даже после многократного повторения их активации.

Хебб был выдающимся членом команды Пенфилда, в ее составе он сделал важные открытия о психологических последствиях поражений головного мозга. Поэтому вместе со своими услугами он предложил Лоренте де Но огромный объем эмпирических и теоретических знаний о разуме и его биологических основах. Но Лоренте де Но не проявил интереса к вроде бы заманчивому предложению, а в письме от 1 мая 1944 года категорически отклонил просьбу о стажировке: «В настоящее время моя работа связана с воздействием нервного импульса на метаболизм нерва, и эта проблема не представляет непосредственного интереса для психолога».

Хебб огорчился, но не остановился. Наряду с эмпирическими исследованиями, он занялся созданием теории, которая навсегда изменит понимание нейронных основ психологии. Размышляя о возможных биологических механизмах формирования воспоминаний, Хебб определил ряд явлений, и сегодня находящихся на оживленных экспериментальных рубежах нейронауки. Его книга «Организация поведения», опубликованная в 1949 году, по сей день остается самой значимой в нейропсихологии.

Хебб правильно предсказал, что приобретение воспоминаний на уровне отдельных нейронов требует суммирования множества активаций, идущих от разных вышестоящих нейронов, — это приводит к укреплению связей между ними. Популярна формулировка гипотезы Хебба: «Нейроны, возбуждаемые одновременно, связываются друг с другом».

Ученый предположил, что консолидация памяти начинается с ее электрической реверберации через рекуррентную нейронную цепь, которая затем синхронизирует работу группы нейронов. А это, в свою очередь, повышает возбудимость этой группы, в конечном счете формируя физиологическую основу памяти о месте, предмете или событии.

Чтобы понять, насколько огромен прогресс этой нейрональной концепции понятия «учиться», необходимо вспомнить: до конца 1940-х годов разные отрасли психологии продолжали развиваться точно так же, как и в XIX веке. Они не имели объединяющей теории, яростно воевали друг с другом и не соприкасались с нейробиологией.

Бихевиоризм, в то время наиболее успешная отрасль психологии, принес подробную количественную оценку поведения животных в контролируемых лабораторных условиях, но он не был готов открыть «черный ящик» мозга, отвечающий за разум. Нейрофизиология, начавшая понимать более простые аспекты нервной системы, не стремилась приблизиться к психическим явлениям. Те немногие исследователи, которые осмелились шагнуть в неведомое, совсем не представляли себе механизмов мышления.

Даже Роджер Сперри, известнейший нейрофизиолог и нобелевский лауреат, потратил годы на подтверждение гипотезы, что сознание вызывается электромагнитными полями, а не возбуждением нейронов. Сегодня эта теория полностью отброшена.

Хебб набрался смелости и снова написал Лоренте де Но, на этот раз рассказав о своей работе. Хеббу было 44 года, он предрек: «Убежден, моя книга покажет, что современные идеи в нейрофизиологии, и особенно некоторые из тех, что разработали вы, имеют революционное значение для психологической теории».

Хебб оказался прав на все сто. Спустя 15 лет на сцене появился еще один необычный ученый — Джонатан Уинсон из Нью-Йорка, джентльмен старых правил с непростой судьбой. Его история началась с преждевременно прервавшейся карьеры в инженерной сфере.

Получив степень магистра по авиастроению в Калифорнийском технологическом институте и докторскую степень по математике в Колумбийском университете, Уинсон женился, переехал в Пуэрто-Рико и стал управлять успешным семейным обувным бизнесом. До свидания, наука, театры и изысканные рестораны — здравствуйте, пальмы и голубые волны!

Почти 20 лет спустя, после смерти отца и выгодной продажи бизнеса, Уинсон и его жена Джудит решили вернуться в Нью-Йорк, желая в полной мере насладиться его богатой культурной жизнью. Они были образованны, утонченны и жаждали концертов, выставок и лекций, которых не хватало в Сан-Хуане, но которые в избытке присутствовали в мегаполисе.

В частности, супруги стремились попасть в круги, связанные с психоанализом, которые в Городе большого яблока 1960-х годов были многочисленны. Уинсон, гуманист и фрейдист, имел склонность к технологиям и исследованиям. В 44 года — далеко не идеальном возрасте для начала карьеры в экспериментальной науке — хорошо устроенный в жизни Уинсон постучался в дверь лаборатории профессора Нила Миллера из Рокфеллеровского университета. Он предложил ему себя в ученики за бесплатные услуги ассистента.

Предложение требовало немалой смелости. В 1967 году этот университет занимал всего один квартал в Верхнем Ист-Сайде, а концентрация Нобелевских премий на квадратный метр была в нем одной из самых высоких в мире. Кроме того, это был бастион независимых, нетрадиционных взглядов.

Уинсона не только приняли в качестве сотрудника, но и с годами последовательно повышали — сначала до техника, потом до доцента и почетного профессора, и он даже удостоился чести вести исследования в облицованной медью лаборатории Лоренте де Но.

Первый крупный вклад Уинсона в науку был связан с тета-ритмом, образуемым регулярными волнами активности, которые охватывают гиппокамп в определенных состояниях на несколько минут. Тета-ритм, обнаруженный у кроликов в 1950-х годах и позже наблюдаемый у крыс, кошек, обезьян и людей, оставался большой загадкой до середины 1970-х. Уинсон начал его расшифровывать.

Парадокс заключается в том, что один и тот же ритм у различных изучаемых биологических видов проявляется в совершенно разных ситуациях. У крыс тета-ритм в значительной степени пропорционален скорости движений, а у кроликов возникает только тогда, когда животное неподвижно. Еще больше усложняет ситуацию, что у кошек тета-ритм может наблюдаться и когда животное в покое, и когда в движении. Вишенка на торте этой научной загадки: быстрый сон совпадает с тета-ритмом гиппокампа у всех этих видов.

Уинсон понял, что может найти ключ к пониманию тета-ритма. Ученый попытался определить, какое именно поведение требует наибольшего внимания к окружающей среде в зависимости от занимаемой экологической ниши. Крысы являются добычей для одних видов (например, кошек), но опасны для других (например, мышей). Они отличные исследователи окружающей среды, по которой внимательно и ловко перемещаются в поисках пищи. Таким образом, именно во время исследования новых сред тета-ритм проявляется у крыс особенно ярко.

Кролики же преимущественно добыча. Поэтому в новой среде они замирают на задних лапах, подняв уши: они ожидают появления хищников. У кроликов тета-ритм возникает во время их настороженной неподвижности и исчезает, как только они привыкнут к окружающей среде и, опустившись на четыре конечности, примутся добывать корм.

Кошка как представитель семейства кошачьих обладает хищническими инстинктами. Поэтому неудивительно, что у кошек тета-ритм возникает, когда они охотятся — за живой мышью или за воображаемой (за комком шерсти), или когда замирают в ожидании удобного момента для атаки, или бегут к возможной добыче, готовясь на нее наброситься.

Подводя итоги исследования, Уинсон сделал вывод, что тета-ритм во время бодрствования объясняется объектом внимания, типичным для каждого вида. По аналогии, он предположил также, что появление тета-ритма во время быстрого сна указывает на физиологическое состояние, в котором мозг способен обрабатывать воспоминания, полученные во время бодрствования. Мозг при этом находится в сенсорной изоляции, но его настороженность повышена, как во время бодрствования. Таким образом, быстрый сон — это рефлекторное состояние, в котором мозг обращает внимание на самого себя и на собственное представление об известном ему мире.

Интерпретация Уинсона покорила сердца и умы узкого сообщества нейрофизиологов, изучающих гиппокамп. В конце 1970-х исследователь обнаружил, что разрушение тета-ритма гиппокампа при поражении другой части мозга — прозрачной перегородки — вызывает резкое ухудшение пространственной памяти у крыс. Статья, опубликованная в журнале Science, стала первой наглядной демонстрацией важной роли тета-ритма в когнитивной функции.

Сегодня мы знаем, что тета-ритм гиппокампа жизненно важен для приобретения, обработки и вызова декларативных воспоминаний, которые можно выразить словами, например: о последних летних каникулах, свадьбе лучшего друга или недавнем сне.

Вдохновленные фрейдистской идеей дневного остатка, Уинсон и греческий нейробиолог Константин Павлидес, в то время его докторант, решили выяснить, одни и те же или разные нейроны больше всего стимулируются во время бодрствования и сна. Для проверки гипотезы исследователи использовали свойство так называемых (из-за их формы) пирамидных нейронов гиппокампа.

Эти нейроны активируются избирательно, когда животное проходит через конкретное место в пространстве. Таким образом, каждый такой нейрон соответствует ограниченному участку среды. Внутри него нейрон активируется, вне его — нет. Именно открытие таких нейронов места как механизма картографирования пространства принесло в 2014 году американцу Джону О’Кифу и норвежцам Эдварду и Мэй-Бритт Мозерам — научным внуку и правнукам Хебба — Нобелевскую премию по физиологии или медицине.

В экспериментальной схеме Павлидеса и Уинсона активация пирамидных нейронов, ограниченная определенными пространственными полями, позволила сравнить отчетливо активированные нейроны с почти бездействующими. После хирургической имплантации электродов в гиппокамп ученые идентифицировали и записали пары пирамидальных нейронов с неперекрывающимися пространственными полями, то есть каждый нейрон предпочитал свое место.

Затем, при помощи прозрачных акриловых куполов, ограничивающих положение животных полем одного из нейронов, и стараясь не удалять визуальные сигналы, которые позволяли подопытным ориентироваться в пространстве, ученые заставили этот нейрон многократно активироваться в течение всего периода записи. Второй нейрон при этом оставался неактивным.

Через 20 минут ученые поместили крысу в клетку — за пределы пространственных полей обоих нейронов, дали ей уснуть и проспать несколько часов. Результаты, опубликованные в 1989 году, стали откровением: нейроны, которые были более активны во время бодрствования, специфически реактивировались во время последующего сна, как медленного, так и быстрого.

Исследование подтвердило идею, что активность нейронов во время сна отражает опыт бодрствующего разума. Это было не что иное, как первое электрофизиологическое доказательство существования дневного остатка — идеи, выдвинутой Фрейдом.

Несколько лет спустя это открытие углубил американский нейробиолог Мэтью Уилсон во время работы в Аризонском университете после защиты докторской. Уилсон провел количественный анализ не только изменения скорости активности нейронов гиппокампа, но и синхронности между моментами активации разных нейронов. Иными словами, он измерил не только то, насколько каждый нейрон повышает или снижает активность, но и в какой пропорции любые два нейрона активируются вместе.

Не случайно Уилсон учился у канадского нейрофизиолога Брюса Макнотона, который в конце 1970-х был близок к Дональду Хеббу и разделял его энтузиазм в изучении нейронной синхронии. Результаты Уилсона и Макнотона, опубликованные в 1994 году, стали классикой.

Во-первых, исследователи показали, что когда крыса движется по определенной траектории и в ее гиппокампе преобладает тета-ритм, то между парами нейронов гиппокампа возникают новые паттерны синхронии. Те же паттерны с некоторым фоновым шумом проявляются и во время последующего медленного сна. Когда Уилсон стал профессором Массачусетского технологического института, то в 2001 году вместе с аспирантом Кенуэем Луи продемонстрировал аналогичные эффекты в фазе быстрого сна.

Чтобы понять разницу между первоначальными выводами Павлидеса и Уинсона и более поздними выводами Уилсона, представьте, что потенциал действия каждого нейрона — это нота в музыкальной партитуре. Фундаментальное открытие Павлидеса и Уинсона было похоже на заявление о том, что ноты, которые чаще всего проигрываются во время бодрствования, снова звучат во сне.

Результаты Уилсона показали, что во сне повторяются не только ноты, воспроизводимые во время бодрствования, но и их сочетания в аккордах и мелодических фразах. Метафора памяти как музыкальной партитуры позволяет нам представить, как то, что мы запоминаем днем, всплывает потом в сновидениях.

Впоследствии эти открытия изучали разные исследовательские группы, в том числе и моя. За последние 20 лет удалось установить, что электрическая реверберация воспоминаний максимальна во время медленного сна, изменчива во время быстрого и значительно снижается во время бодрствования. Постоянное увеличение реактивации нейронов во время медленного сна, большая вариабельность во время быстрого и меньшая его продолжительность по сравнению с медленным (примерно 1:4 у крыс и людей) заставляют сделать вывод, что медленный сон играет доминирующую роль в нейронной реверберации, а быстрый сон — второстепенную.

С практической точки зрения это означает: первая половина ночи с преобладанием медленного сна критически важна для реверберации того, что мы запомнили во время бодрствования.

Предложенный Дональдом Хеббом более 60 лет назад термин реверберация в последние десятилетия заменен словом реактивация. Но это слово не вполне точно описывает рассматриваемое явление.

Во время бодрствования реверберация нейронных сетей действительно существенно снижается, однако не исчезает полностью. Сила мнемонической реверберации во время бодрствования обратно пропорциональна степени мешающей ей сенсорной стимуляции. Поскольку после приобретения тех или иных воспоминаний их следы можно обнаружить во всех поведенческих состояниях, правильно будет сказать, что соответствующие сенсорные переживания вызывают устойчивые реверберации, а не дискретные реактивации.

Почему же мы не видим, что сны присутствуют на заднем плане, даже когда мы бодрствуем? Объяснение этому — поток раздражающих стимулов, испытываемых всеми нашими пятью органами чувств. Если выразиться научно, то паттерны реверберации нейронной активности, связанные с прошлым опытом, в значительной степени — хотя и не полностью — в период бодрствования маскируются сенсорными раздражителями. Перефразируя Фрейда, сны подобны звездам: они присутствуют всегда, но увидеть их можно только ночью.

И все же некоторым людям удается воспринимать сны даже во время бодрствования — например, в творческих грезах, приписываемых австрийскому композитору Моцарту его первым биографом:

Другой термин, связанный со словом «реверберация» и ставший популярным, — «воспроизведение», высокоточное повторение прошлых паттернов нейронной активности. Однако реактивация памяти во время сна не вызывает их в полной мере, повторяя контент из прожитого дня — как это было бы со звукозаписью. Скорее, это реактивация шума — будто музыкальная группа играет песню вживую и по памяти. Звук при этом становится «грязнее» — реверберации «грохочут» в борьбе за нейронную активность, возникающую во время сна. Конечный результат оказывается больше похож на джем-сейшен, чем на точную копию, больше на винил, чем на MP3.

Эта грязная реверберация, вероятно, связана с тем, что огромные участки мозга млекопитающих предназначены для одновременного представления ряда восприятий и действий. В результате отдельные нейроны участвуют в разных синхронизированных группах, комбинируя множество фрагментов информации. Поэтому ученым трудно обнаружить какое-то одно конкретное воспоминание.

Единственная музыкальная нота, проигрываемая бесчисленное количество раз в множестве партитур, в зависимости от контекста оказывает на слушателя разное воздействие. Представьте теперь, что эти партитуры можно исполнять параллельно, одновременно — и описываемое явление станет понятнее.

Примечательный контрпример, подтверждающий это правило: в научных исследованиях нередко участвует птичка австралийский зебровый вьюрок[112]. Во время сна группа нейронов, задействованных в моторном воспроизведении птичьего пения, точно повторяет нейронную активность, наблюдаемую во время пения, представляя собой почти идеальную копию.

Это редкость; но она возможна из-за высокоспециализированной обработки, осуществляемой нейронами. Их активность необходима для управления голосовыми мышцами, отвечающими за пение. Эти нейроны полностью отдают себя последовательной кодификации единственного воспоминания, повторяющегося на протяжении всей жизни в фиксированной, неизменной форме: собственной песне птицы. Во время сна у зебрового вьюрка действительно существует высокоточное воспроизведение его пения.

Нейробиологи придают реактивации нейронов большое значение. Это связано с консолидацией воспоминаний и долговременной потенциацией как феноменом, имеющим огромное значение для нейробиологии обучения. Хебб уже в 1949 году понял: одновременная активация нескольких нейронов должна постоянно изменять их связи, расположенные далее по цепочке. Однако это открытие оставалось чисто теоретическим почти 20 лет.

Только в 1966 году появились первые эмпирические доказательства, что электрический раздражитель способен надолго укрепить группу синаптических связей. Изучая стимулы и электрические реакции в гиппокампе находящихся под наркозом кроликов, норвежец Терье Лёмо, на тот момент писавший докторскую диссертацию, впервые сумел вызвать у них воспоминание с помощью электрического импульса, заставив нейроны «запоминать» полученное раздражение.

Проводя исследования в лаборатории норвежского нейрофизиолога Пера Андерсена в Университете Осло, Лёмо сначала в одиночку, а затем и вместе с британским коллегой Тимоти Блиссом опубликовал первое свидетельство долговременной потенциации. Открытие представляет собой клеточную аналогию операции сложения, необходимой для функционирования биокомпьютера внутри нашей черепной коробки.

Японский нейрофизиолог Масао Ито в 1982 году опубликовал первые данные об обратном явлении — снижении синаптической передачи, вызванном стимулами с низкой частотой. Его назвали долговременным торможением (нейронный эквивалент операции вычитания). С тех пор изучение потенциации и торможения синаптической передачи стало одной из самых динамичных областей в нейробиологии.

Неизбежно звучала критика: стимулы применялись со слишком высокой или чересчур низкой частотой, и это создавало несколько искусственную ситуацию. Выдвигался аргумент: воспоминания, приобретаемые естественным образом, вероятно, зависят и от других механизмов. Однако со временем стало ясно, что потенциация и торможение синапсов происходят и при стимуляции на частотах, близких к наблюдаемым в мозгу. Прогресс в исследованиях в конечном счете показал: запускаемые в ходе этих экспериментов механизмы точно такие же, как и используемые для «естественного» обучения.

Если научный Олимп населен только богами, то Лёмо и Блисс еще получат Нобелевскую премию (Масао Ито скончался в 2018 году) за открытие принципа формирования синаптического ландшафта. А пока этот день не наступил, у студентов, которых всерьез увлекли биологические механизмы обучения, остается возможность выпить хорошего пива с веселым Тимом Блиссом, восторженно и увлекательно рассказывающим на международных конгрессах и курсах о своем важном открытии.

В конце 1980-х Павлидес и Уинсон сделали еще одно удивительное открытие: стимулы одинаковой частоты, применяемые в разные моменты цикла тета-ритма, могут вызывать противоположные эффекты. На пиках этой мозговой волны, когда нейроны деполяризуются и поэтому легко возбуждаются, стимуляция вызывает потенциацию связей. На спадах волны, когда нейроны гиперполяризованы и поэтому возбуждаются трудно, та же стимуляция обусловливает торможение связей.

С тех пор и другие исследовательские группы воспроизводили эти результаты, и они стали рассматриваться как центральный элемент процесса запоминания. Эта зависимость от фазы тета-волн позволяет стимулам одинаковой частоты вызывать диаметрально противоположные эффекты, усиливая или ослабляя связи между нейронами.

Сегодня мы знаем, что запоминание любой информации требует как усиления, так и ослабления синапсов, выборочного увеличения и уменьшения силы связи между небольшими подмножествами общей синаптической сети человеческого мозга. Мы также знаем, что выбор этих синапсов зависит от внимания, уделяемого раздражителям и совпадающего с тета-колебаниями в гиппокампе.

Начиная с этого открытия, в нейронной мелодии начинает появляться гармония. Сегодня считается, что тета-ритм — своеобразная партитура нейронного ансамбля, которая определяет звучание наиболее громких «нот», то есть высокочастотных вспышек нейрональной активности. Тета-ритм приглушает те из них, которые приходятся на начало такта, но усиливает те, что приходятся на его пик, так что его временное поддержание создает фазовое пространство для распределения нот. Этот механизм запоминания нового сдвигает старые воспоминания в другие фазовые пространства — в иные части «музыкального такта».

Важность этих открытий для понимания взаимосвязи между сном и обработкой воспоминаний начала проясняться, когда нейробиолог Джина По, одна из немногих, признавшая основополагающее влияние Фрейда на эту сферу, впервые продемонстрировала: фаза тета-ритма, где происходит возбуждение нейронов, может кодировать узнавание воспоминаний.

История По необычна, как и других героев нашего повествования. Джина родилась в Лос-Анджелесе в очень бедной семье, росла без отца. Через два года ее мать взяла детей, дочку и сына, и переехала в Сан-Диего. Работа, которую матери удавалось получить, была низкооплачиваемой, и семья существовала на государственное пособие. У них никогда не было машины, какое-то время был телевизор, и они жили в неблагополучных районах. Чтобы накормить детей, матери порой приходилось недоедать или даже голодать, и она твердо верила, что ее дети смогут вырваться из бедности только благодаря образованию.

Так оно и оказалось. В пятом классе смышленая любознательная Джина заинтересовалась занятиями под руководством учителя естественных наук. На них то препарировали бычий глаз, то измеряли цветовые предпочтения у беспозвоночных. В 11 лет девочка поняла, что хочет стать ученым. Менее чем через 10 лет, в 1983 году, ей удалось поступить в престижный Стэнфордский университет.

На курсе нейрофизиологии она услышала подробный рассказ нейробиолога Крейга Хеллера о том, как он открыл отсутствие терморегуляции у млекопитающих во время быстрого сна. Ученый утверждал, что из-за этого животные более уязвимы, что это риск для организма, но это совершенно необходимо, что и доказывает широкая распространенность быстрого сна среди биологических видов. И самое главное: никто не знает, почему так!

Джина обрадовалась и подумала о том, как было бы здорово открыть какой-нибудь фундаментальный феномен в эпоху, когда столько всего уже известно или кажется известным. Правда, для этого нужно больше денег для оплаты обучения в университете. Брать дополнительный кредит на этот курс она не хотела[113] и, чтобы все-таки получить высшее образование, пока взяла паузу и стала усерднее трудиться поваром в ресторане.

На этом история могла бы закончиться, но, к счастью, случилось иначе. Несколько лет спустя Джине удалось устроиться научным сотрудником в госпиталь для ветеранов. Она изучала активность мозга у пилотов ВВС при полете на малой высоте и в условиях перегрузок, в несколько раз превышающих ускорение свободного падения на поверхности Земли (9,8 м/с²).

Целью исследования было достоверно выяснить, теряют ли при этом летчики сознание и обязательно ли нужно переводить самолеты на автопилот. Джина отправилась на конференцию специалистов по сну и поняла, что в этой сфере — бескрайний океан важных вопросов, не имеющих ответов. Следовательно, здесь можно попытаться внести значительный вклад в науку, сделать по-настоящему важное открытие. Иными словами, здесь можно помечтать.

Однако всю иронию ситуации Джина в полной мере осознала только тогда, когда ее официально приняли в докторантуру по неврологии в Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе: стипендия докторанта в США выше, чем зарплата любого научного сотрудника. Джине нравилась ее учеба, и она ни разу не пожалела о своем выборе.

Джина продолжила научную традицию Пера Андерсена, Джона О’Кифа и Дональда Хебба. Она уже вела постдокторскую научную работу в лаборатории Брюса Макнотона и Кэрол Барнс в Аризонском университете, когда сделала важное открытие, опубликованное в 2000 году.

Чтобы понять, какой прорыв совершила Джина По, нужно вспомнить: наибольшие шансы активироваться существуют у нейронов именно на пике тета-волн; Павлидес и Уинсон в 1988 году обнаружили, что стимуляция гиппокампа на пиках тета-ритма вызывает долговременную потенциацию, но та же самая стимуляция на спаде тета-ритма приводит к долговременному торможению.

Сложив эти кусочки пазла, Джина По сформулировала гипотезу: новые воспоминания следует кодифицировать на пиках тета-ритма, а старые, которым суждено быть забытыми, — на его спаде. Джина вживляла электроды в гиппокамп крыс и регистрировала активность нейронов места. Их активация оказалась избирательной в отношении конкретных участков клетки.

Когда первый блок данных был собран, одну из стенок клетки убрали, создав новое, гораздо большее пространство. Это вызвало переназначение многих нейронов места, которые начали избирательно реагировать на области в новом пространстве. Сравнив фазу возбуждения нейронов, перераспределенных на новые места, и тех, что всё еще отображали старые места, Джина смогла подтвердить разделение фаз — как она и ожидала.

Когда крыса посещала новую среду, возбуждение нейронов происходило на пике тета-ритма — как во время бодрствования, так и во время последующего быстрого сна. Но когда та же крыса попадала в знакомую среду, вспышки, происходившие ранее на пике во время бодрствования, начинали возникать на спадах — когда она находилась в фазе быстрого сна.

Все было примерно так, как если бы уже известное прошлое воспроизводилось в негативной фазе тета-ритма, вызывающей долговременное торможение синапсов и, следовательно, забывание. Между тем репрезентация нового концентрировалась в положительной фазе тета-ритма и приводила к усилению связей и воспоминаний.

По и ее наставники наблюдали в гораздо более реалистичной ситуации феномен, который Павлидес и Уинсон вызывали с помощью искусственных воспоминаний, индуцированных электричеством: окружающая среда исследуется спонтанно, а сразу после этого наступает быстрый сон.

Прогресс в понимании механизмов, отвечающих за когнитивную роль сна, связан главным образом с изучением грызунов. Но именно исследования на людях — с использованием электроэнцефалографии, позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) — впервые подтвердили связь между обучением и реверберацией нейронов во время сна.

Бельгийские нейробиологи Пьер Маке из Льежского университета и Филипп Пеньё из Брюссельского свободного университета почти 20 лет назад показали, что активность мозга во время быстрого сна после обучения пропорциональна приобретению новых воспоминаний. Эта реверберация провоцировала локальные скачки в насыщении крови кислородом и отражала повышенные метаболические потребности нейронов, участвующих в кодификации памяти.

Другое исследование, проведенное во время медленного сна, подтвердило увеличение мощности медленных колебаний (ниже четырех циклов в секунду) на участке коры головного мозга, подвергшемся обучению, что имело значительную корреляцию с объемом усвоенного.

Биологический феномен пропорционален психологическому, но это еще не доказывает, что одно — причина другого. Чтобы выйти за рамки изучения корреляций и попытаться установить причинно-следственную связь, необходимо вызвать или прервать биологический феномен и узнать, что происходит при этом с феноменом психологическим.

Особую важность для обучения тета-ритма в фазе быстрого сна продемонстрировала группа греческого нейрофизиолога Антуана Адамантидиса из Бернского университета (Швейцария) и Макгиллского университета (Канада). При помощи метода прерывания тета-ритма с очень четкими временными интервалами ученые показали: уменьшение тета-волн в фазе быстрого сна серьезно вредит консолидации воспоминаний, которые первоначально закрепляются в мозгу мыши через гиппокамп.

Команда Яна Борна провела классические эксперименты на людях, которые показали: повысить эффективность обучения можно с помощью электрической стимуляции мозга во время медленного сна. Используя очень слабые и медленные электрические импульсы, которые воздействуют на череп с частотой менее одного цикла в секунду, можно вызвать в мозге искусственные колебания, усиливающие естественные медленные волны. Процесс буквально повышает способность к обучению.

Аналогичного эффекта можно достигнуть, используя слуховую стимуляцию в фазе с медленными колебаниями — процесс, увеличивающий синхронизацию с самыми быстрыми мозговыми волнами, вероятно, приводит к повышенному накоплению кальция внутри корковых нейронов и благоприятствует длительной синаптической потенциации.

В совокупности эти открытия предполагают, что повторяющиеся паттерны нейронной активности должны быть причиной консолидации памяти во время сна. Чтобы проверить эту гипотезу и заодно убедить даже самых отъявленных скептиков, Ян Борн и немецкий нейробиолог Бьорн Раш придумали использовать запахи для реактивации воспоминаний во время сна.

Способность запаха вызывать воспоминания, прочная связь тех или иных ароматов с определенными событиями в прошлом хорошо известны. Вам наверняка приходилось удивляться, когда какой-то знакомый запах навевал воспоминания о далеких событиях, полностью погружая вас в ту, давнюю, атмосферу. Кроме того, запахи как сенсорные раздражители меньше прочих мешают сну.

Воодушевившись новыми идеями, ученые предложили участникам эксперимента запоминать расположение карточек с картинками — как в традиционной игре, — вдыхая запах роз. Во время последующего сна участники подверглись воздействию этого аромата, что должно было заставить их подсознательно вспомнить выученное расположение карточек — активировать его с помощью мультисенсорной ассоциации.

Результаты показали, что реактивация воспоминаний под воздействием запахов достаточно эффективна, когда осуществляется во время сна. Однако в фазе быстрого сна наблюдались те же уровни, что и в экспериментах без запахов. Этот классический эксперимент подтвердил, что реактивация воспоминаний во время медленного сна действительно способствует обучению. Лоренте де Но был в корне неправ, возражая Хеббу: изучение реверберации нейронов представляет величайший интерес для психологии.

Что же такое память? Чтобы дать определение, начнем с того, что это специфическая траектория распространения электрической активности по нейронной сети. Сознательная активация памяти — это процесс, который с помощью групп нейронов растягивается в пространстве и во времени. Он может длиться сотни миллисекунд — намного дольше типичного временного промежутка активности отдельного нейрона (порядка 1 миллисекунды).

Одно воспоминание требует активации большого количества нейронов, но задействует при этом далеко не весь мозг. Он слишком огромен — невероятно обширная трехмерная матрица из сотен миллиардов клеток, соединенных между собой и с тысячами других нейронов аксонами и дендритами. Вызов воспоминаний представляет собой распространение электрической активности через весьма специфическое и ограниченное подмножество нейронов и областей мозга.

Для каждого вызванного прошлого опыта существует определенная траектория распространения электрического импульса по мозгу, который в латентном, неактивированном состоянии воспроизводит память об этом опыте. Для процедурной памяти — кручения педалей велосипеда, капоэйры — путь в основном лежит через мозжечок, моторную кору и базальные ядра. Для декларативной памяти («Назовите столицу Анголы»), а также для эпизодических воспоминаний («Как прошла ваша поездка с целью изучения капоэйры Ангола?») требуется гиппокамп.

Траектория имеет определенную вероятность распространения, которая трансформируется с каждой новой активацией воспоминания при помощи механизмов долговременной потенциации и торможения. Мысленное повторение одного и того же воспоминания подобно реке, которая всегда выглядит похоже, но не на 100%. Она течет по одному и тому же руслу, но вода и ее течение всегда разные — и сильнее всего отличие заметно у берегов.

Наиболее вероятные нейронные траектории соответствуют максимально подкрепленным воспоминаниям — они активируются множество раз в течение жизни. Электрическая активность при этом вновь выстраивает пути, предпочтительные для будущей нейронной активности, создавая отпечаток запоминаемых событий.

Электрическая активность циркулирует по этим траекториям, состоящим из реверберирующих сетей, таких как септально-гиппокампальный контур, производящий тета-ритм, и многочисленных цепей, соединяющих компактное голубое пятно с другими участками головного мозга. Расположенное глубоко в нервной системе, это «всевидящее внутреннее око» осуществляет непосредственное управление зрачком, который расширяется и сужается соответственно умственному усилию или вниманию, как бы открывая и закрывая окно души в мир.

Голубое пятно в режиме реального времени обнаруживает все болезненное и все новое, распространяя эту информацию по всему мозгу посредством выброса норадреналина. А ночью это окно закрывается. Голубое пятно снижает скорость активации, пока та не упадет до критического уровня. В отсутствие какого-то значительного стимула этот уровень недостаточно высок, чтобы помешать нам заснуть.

Когда свет сменяется тьмой, электрическая активность, спонтанно генерируемая внутри мозга, — первоначально бесформенная и бессодержательная — достигает порога активации той или иной конкретной траектории. Появляется первый ночной образ сновидения, и начинается сон.

Воспоминания, сформированные в течение дня, теперь конкурируют со всеми предыдущими. Очень часто даже в самом начале сна впечатления от предыдущего дня исчезают в вихре других воспоминаний. Однако все, что особенно потрясло воображение, неумолимо вернется. Пути, которые наиболее глубоко прорезаны во время бодрствования, имеют больше шансов на реактивацию, чем неглубокие. Электрический отголосок самых значительных воспоминаний и есть принцип устройства нашего банка воспоминаний, который мы называем бессознательным.

Если изобразить мозг новорожденного в виде топографической карты, он был бы песчаной равниной, изрытой только врожденными воспоминаниями о филогенетическом прошлом. В «железо» мозга — если сравнивать его с компьютером — встроено минимальное количество программного обеспечения: закодировано только то, что ребенок учится делать с первой попытки. Новорожденный умеет сосать, плакать, спать, опорожнять кишечник и обучаться.

Вооружившись этим поведенческим репертуаром, младенец при столкновении с внешним миром направляет электрическую активность по уже имеющимся у него нервным путям. Они модифицируются по мере того, как он учится воспринимать информацию и двигаться. Если развить нашу «топографическую» метафору, то дождь, размывающий землю, соответствует электрической активности. Таким образом, при непрерывных изменениях топографии, формируемой огромным количеством синапсов, младенец начинает выстраивать свой внутренний мир.

По мере накопления ребенком опыта топография размывается. Формирование новых воспоминаний усиливает небольшие группы специфических синапсов, полезных для выживания, и отбрасывает огромные участки менее полезных. В результате с усвоением каждого нового навыка возникает проторенная дорожка, и поверхность преображается. Она приобретает все больше углублений, долин и русел.

Контакт с реальностью похож на поток воды на твердой поверхности камня — он формирует нашу синаптическую топографию до тех пор, пока мы не достигнем старости и не станем Большим каньоном переживаний. Они нагромоздятся одно на другое; станут обширной, глубокой долиной, окруженной бесчисленным множеством других, более мелких долин. Каждая из них прорыта и сформирована какими-то событиями в нашей биографии.

Таким образом, мозг становится подобен пергаменту о пережитых и воображаемых событиях, ментальной картой жизни, составленной из наложенных друг на друга переживаний — от самого давнего прошлого, какое мы только можем вспомнить, до отдаленного будущего, какое сумеем представить.

Активация каждого крошечного углубления на этой карте соответствует вызову одного конкретного воспоминания. Травматические переживания оставляют более глубокие следы — чего и следовало ожидать от интенсивного выброса адреналина и норадреналина во время сильного стресса. Эмоциональный заряд переживания увеличивает продолжительность и интенсивность воспоминаний, особенно когда рассматриваемые эмоции негативны.

Во время сна, в отсутствие внешних раздражителей, электрическая активность, генерируемая в глубинах нервной системы, с силой достигает коры головного мозга, гиппокампа, миндалевидного тела и разных других подкорковых областей, вызывая яркие сновидения. У людей, переживших травматичный опыт, сновидение часто приводит к усилению неприятных воспоминаний, что эквивалентно повторному переживанию случившегося.

Возможно, электрическая активность, достигающая коры головного мозга во время сна, действительно диффузна, не очень специфична, даже случайна, как предположил Фрэнсис Крик. Но этого недостаточно для вывода о том, что она стирает корковые воспоминания, как дождь смывает песчаный замок на пляже.

Как только бомбардировка электрической активностью достигает коры головного мозга и начинает распространяться по ее обширным нейронным сетям, возбуждение расходится по путям, состоящим из уже существующих нейронных связей, — можно сказать, по истории этого разума. Может случиться, что капли дождя падают в долину случайным образом, но определяет их направление именно форма поверхности скалы.

Если вернуться к сравнению, у новорожденного нет биографического прошлого — только богатое филогенетическое прошлое и бескрайние горизонты будущего. Все, что происходит с ребенком, может серьезно повлиять на его последующую жизнь.

На пожилого человека, напротив, уже почти ничто не действует. Биографическое прошлое стало огромным, а будущее сокращается. Преклонный возраст часто сопровождается обильными воспоминаниями, однако связан с трудностями в запоминании нового и отсутствии интереса к внешним раздражителям. Больше нет ничего сверхъестественного, ничего нового. Меньше сна, меньше пластичности нейронов — мозг вырабатывает меньше каннабиноидов, необходимых для образования новых синапсов. В старости остаток скалы затвердевает, и разум часто тоже утрачивает гибкость.

Но в этом смысле вместе со старостью приходит стабильность. Когда накопленный опыт обширен и здоров, старики становятся лучшими советчиками и вождями в обществе, поскольку способны размышлять о всех людях уравновешенно, обладая панорамным видением и думая о будущем — как о ближайшем, так и об отдаленном.

Среди калапало и других коренных народов из индейского национального парка Шингу в бразильской Амазонии, которые поддерживают мир между племенами уже не менее 60 лет, «говорить как вождь» означает быть спокойным, сидеть, смиренно глядя в землю, повторять правильные фразы, умиротворяющие и утверждающие покой и уважение между сородичами.