Как электрический ток улучшает память
Люди, решившиеся провести ночь в лаборатории сна Института нейроэндокринологии Любекского университета, должны быть из тех, кто не боится электрического тока. На ночь им надевают колпак с бесчисленными электродами. Некоторые из этих металлических пластинок замеряют колебания токов мозга. Но есть и такие, что передают, а не принимают электрическое напряжение. Они порождают слабые, колеблющиеся с частотой одного раза в секунду электрические потенциалы примерно той же мощности, что у самих нейронов и нейронных сетей. Эти токи проникают сквозь кости черепа и модифицируют активность нервных клеток.
Такое воздействие совсем не вредно. Наоборот: «После ночи участники эксперимента чувствуют себя особенно хорошо выспавшимися, и память их улучшается», — говорит директор института нейробиолог Ян Борн. Наутро после сна под проводами ученые проверяют работоспособность мозга с помощью специальных тестов на скорость реакции и память. Испытуемые показывают лучшие результаты, чем контрольная группа, проведшая ночь без электродов. Очевидно, электрический ток имеет особый обучающий эффект. Особенно это касается сознательной, так называемой декларативной памяти, где сохраняются, например, заученные формулы или иностранные слова, поясняет Борн. Но и бессознательная, процедурная память, где мы храним автоматизированные действия, например, двигательные навыки, улучшается под воздействием электричества.
|
|
|
Что же произошло во сне с участниками эксперимента? Почему они так хорошо справляются с поставленными задачами? «По крайней мере для декларативной памяти, образование которой происходит в стадии глубокого сна, у нас есть предположения о том, что происходит», — говорит Борн. Искусственный электрический сигнал каким-то образом помог мозгу в его работе, вероятно, навязав нервным клеткам больших полушарий свой ритм. Воздействие внешних электрических колебаний заставляет нейроны синхронизироваться сильнее обычного, так что их потенциалы колеблются в общем ритме. А поскольку искусственно заданный ритм примерно соответствует тому, который мозг сам по себе порождает в стадии глубокого сна, в результате возникает своего рода суперглубокий сон.
«Мы заставляем мозг какое-то время следовать заданному нами ритму, а потом на 1 минуту отключаем ток. В этот перерыв мы наблюдаем, как реагируют нервные клетки, — поясняет Борн. — И видим, что электрическая активность нейронов интенсивнее обычного порождает типичный для глубокого сна рисунок дельта-волн».
Проверка памяти на следующий день, а также субъективные ощущения участников эксперимента, утверждающих, что особенно хорошо выспались, подтверждают, что усиленный глубокий сон значительно помог мозгу в его ночной работе. Естественно, Борн уже задумывается о том, как можно было бы использовать электрическую стимуляцию в медицинских целях. Теоретически она позволяет улучшить как качество сна, так и интеллектуальную работоспособность. Но прежде чем перейти к практическому применению, нужно провести еще множество экспериментов и всесторонне проверить результат, так что радоваться еще рано, осторожно замечает ученый.
|
|
|
Пока для Борна на первом плане решение другой проблемы: он хочет выяснить, что же происходит в мозге во время сна. Эксперименты с электрическим колпаком должны прояснить функции глубокого сна. Они призваны подтвердить то, что множество сомнологов во всем мире вот уже 10 лет наблюдает в своих опытах: судя по всему, одна из важнейших задач сна — помогать мозгу в обучении.
Загадка памяти
На нижнем крае коры больших полушарий, там, где она прогибается вовнутрь над промежуточным мозгом, в голове имеется отросток характерной формы, напоминающий морского конька. Поэтому его называют латинским именем этой забавной рыбки: гиппокамп.
|
|
|
Эта область мозга необычна не только по форме. Именно здесь ученые отыскали центр управления декларативной памятью. Множество информации, которую мы осознано воспринимаем в течение дня, — в отличие от бессознательного, автоматического, так называемого «процедурного» восприятия — откладывается в гиппокампе, но лишь на короткое время: это, к примеру, воспоминание о том, какое именно варенье мы мазали на хлеб за завтраком, соображение, что нужно купить новый тюбик зубной пасты, имя нового коллеги по работе, роман, который мы читали перед сном, и тысячи других более или менее важных вещей.
Именно во сне, когда связь с внешним миром оборвана и бодрствующее сознание отключено, морской конек начинает активную работу. Сейчас, когда ему ничего не надо воспринимать, он сам «передает» сигналы и тем самым вызывает повторение событий, зачастую пережитых наяву лишь один раз. Таким образом, от него зависит, какие сведения постепенно закрепятся в долговременной памяти. «Во сне дневная информация реактивируется и посылается в виде импульсной проекции множества нервов в те части коры больших полушарий, где эти впечатления исходно обрабатывались. Там новое знание связывается с долговременной памятью», — поясняет Борн.
|
|
|
Этот процесс называется консолидацией памяти. Из бесконечного потока информации, воспринятой в состоянии бодрствования, поддерживаются, долгосрочно сохраняются и связываются с прошлым опытом лишь те данные, которые представляются действительно важными. Гиппокамп, по словам Борна, служит своего рода буферным запоминающим устройством: «Здесь информация, опыт, впечатления сохраняются предварительно на несколько суток, прежде чем перейти — вероятно, при подключении процессов отбора и просеивания несущественной информации — в долговременную память».
Чем важнее событие, тем интенсивнее и чаще будет воспроизводить его гиппокамп в ближайшее время и тем прочнее оно запечатлеется в долгосрочной памяти. Спустя какое-то время данные стираются из промежуточного хранилища. То что до тех пор не попало в долговременную память, забывается.
В самой коре больших полушарий нет специальных клеток памяти. Воспоминания хранятся в бесчисленных возможных моделях возбуждения, которые мозг держит наготове в обрабатывающих информацию ареалах. Каждое воспоминание связано с такой моделью. Например, если мы ощущаем аромат и одновременно видим цветок, от которого он исходит, во всех ареалах мозга, обрабатывающих обонятельные и зрительные впечатления, активные в этот момент клетки порождают уникальную модель пульсации. Когда мы в будущем вспомним эту ситуацию, возбудятся те же клетки, возникнет та же модель — и получится, будто мы снова ощущаем аромат и видим цветок.
Для того чтобы это произошло, контакты нейронной сети, задействованной при первом впечатлении, должны быть усилены в процессе консолидации памяти. Между нейронами-участниками возникают новые, углубленные, особенно прочные и легко возбуждаемые контакты, благодаря которым типичная модель, связанная с данным воспоминанием, вспыхивает в мозге всякий раз, как активируется хотя бы часть данной сети. Таким образом гиппокамп путем повторения временно сохраненной информации оставляет прочные следы в бесконечно сложной сети из многих миллионов нейронов. На следующий день, а также много лет спустя, достаточно крошечной отдаленной ассоциации — и воспоминание возвращается[18].
Виртуальное птичье пение
Что память образуется именно так — только предположение. Реальные процессы, вероятно, намного сложнее, чем эта упрощенная модель. Исследователь Ханс-Йоахим Маркович из Билефельдского университета пишет, что консолидация затрагивает не только гиппокамп и кору больших полушарий, но и другие структуры мозга и «вероятно, представляет собой многоступенчатый процесс». Тем не менее вышеописанная модель, судя по всему, не слишком далека от истины. И как раз то обстоятельство, что образование памяти на значительную часть происходит во сне, сейчас достаточно хорошо доказано.
Что люди легче вспоминают заученное после того, как поспят, известно давно. В 1924 г. американские психологи Джон Дженкинс и Карл Далленбах экспериментально доказали, что подопытные лучше воспроизводили бессмысленную последовательность слогов, если между заучиванием и проверкой им давали поспать. Этот результат за минувшее столетие был многократно подтвержден. Тот факт, что детям требуется намного больше сна, чем взрослым, тоже достаточно ясно указывает на то, что мозг нуждается в сне для обучения. Ведь если есть что-то, что дети делают значительно чаще, чем взрослые, то это обработка новых впечатлений и приобретение двигательных навыков.
Реальную картину механизма памяти в спящем мозге нейробиологи смогли представить себе лишь в 1994 г. Тогда американцам Мэтью Уилсону и Брюсу Мак-Нотону из Аризонского университета удался потрясающий эксперимент: они вживили в мозг трем крысам одновременно 12 электродов. Каждый электрод имел несколько принимающих каналов и мог регистрировать сразу целую группу сигналов. Таким образом ученым удалось путем сложной обработки данных одновременно прослушивать сотни единичных нейронов. Электроды были направлены точно на так называемые «нейроны места» в гиппокампе. Эти клетки возбуждались всякий раз, когда крысы запоминали определенные признаки окружающего пространства. Затем исследователи выпустили грызунов в лабиринт и стали регистрировать силу и продолжительность возбуждения нейронов места.
Самое интересное началось, когда животные первый раз после эксперимента заснули и вошли в стадию глубокого сна: «Группы нейронов, одновременно активизировавшиеся во время обследования лабиринта, во время сна также возбуждались синхронно», — вспоминает МакНотон. Во время последнего сна перед началом эксперимента рисунок возбуждения в гиппокампе подопытных крыс был совершенно другим.
Мэтью Уилсон, сотрудник Массачусетского института технологии (Кембридж, США) резюмирует полученные результаты так: «Во сне крысы снова проходили лабиринт. Не хватало только мышечного движения». Правда, все происходило намного быстрее, чем в реальности, «как будто магнитофон включили на перемотку», — говорит Мак-Нотон. И неудивительно: «если бы животные стали повторять впечатления в режиме реального времени, у них не осталось бы времени на бодрствование».
Что эти результаты верны и для других видов животных и систем памяти, подтвердилось в 2000 г., когда биолог Дэниэл Марголиаш из Чикагского университета опубликовал отчет об экспериментах с зебровыми амадинами. Эти певчие птички семейства вьюрковых ткачиков в молодости целый день упражняются в пении и при этом бессознательно заучивают правильную, так называемую сенсомоторную, связь между движениями тела, например, положением клюва, и производимыми звуками.
Модель корреляции в мозгу крысы: В сети из 42 нейронов гиппокампа в мозгу крыс (точки) во время глубокого сна после эксперимента с лабиринтом особенно часто одновременно активизируются те же клетки, что и во время самого эксперимента (жирные линии). Во время глубокого сна до эксперимента картина была иной.
Марголиаш и его коллега Эмиш Дейв отслеживали возбуждение некоторых нейронов в так называемой моторной коре, то есть той части больших полушарий, которая управляет движениями. Во время тренировок определенные нервные клетки возбуждались всегда в одной и той же временной последовательности. Очевидно, эта модель возникала при управлении сложными движениями, требуемыми для пения. Затем исследователи пронаблюдали, что происходит в птичьем мозге во время сна. Оказалось, что нейроны самостоятельно активизируются по той же модели, что и во время певческих упражнений. Молодые амадины во сне снова заливались трелями — беззвучно, но внятно для внутреннего слуха.
Тетрис для науки
По сей день никому не удалось доказать, что наша сознательная, эксплицитная память действительно нуждается в сне. Это объясняется просто, говорит Ян Борн: «Декларативное обучение требует времени!». Информация с регулярными промежутками извлекается из гиппокампа на протяжении нескольких дней, а то и недель — эксперимент по лишению сна такой продолжительности просто невозможен. Кроме того, бодрствующий мозг, вероятно, тоже вносит свою долю в закрепление новых слов, формул или событий. «И все же проведенные исследования ясно показывают, что как минимум значительная часть долговременной декларативной памяти возникает во сне», — говорит Борн. Это и понятно, поскольку во время сна мозгу не приходится сосредотачиваться на многих других вещах, как во время бодрствования.
Гораздо яснее для ученых система процедурной памяти, сохраняющей автоматически заученные процессы. Здесь нет необходимости в буферном хранилище вроде гиппокампа, поскольку все, чему мы обучаемся в основном автоматически — двигательные навыки и связанные с ними ощущения, например езда на велосипеде, бег на лыжах или разыгрывание фортепьянной пьесы, — мы тренируем прямым, в большой степени бессознательным, как можно чаще повторяемым упражнением. Большая часть такого рода информации передается в долговременную память, видимо, лишь во время последующего сна. Более простые движения сохраняются в мозжечке, а сложные автоматизированные навыки — и в большом мозге.
Информацию, как правило, можно пожизненно востребовать в любой момент, даже не задумываясь. Всякий, кто в детстве научился ездить на велосипеде или плавать, в преклонном возрасте без проблем владеет этими навыками. Поэтому специалисты называют эту память имплицитной.
Мозг во сне повторяет процедурную проработку, что доказали, в частности, вышеупомянутые чикагские эксперименты с зебровыми амадинами. Но самое главное — новейшие исследования с участием люей показали, как важен для этого вида памяти первый сон после тренировки. Похоже, что незакрепленные бессознательные воспоминания, ввиду отсутствия подобной гиппокампу буферной системы, сохраняются не более 30 ч.
Роберт Стикголд, нейрофизиолог из Гарвардской медицинской школы в Бостоне, в 2000 г. экспериментировал с людьми, которые днем должны были упражняться в компьютерной игре тетрис. Главное в этой игре — как можно быстрее и ловче поворачивать спускающиеся по монитору геометрические фигуры и расставлять их так, чтобы не образовывалось пустот. Вскоре после засыпания подопытных будили и спрашивали, что им снилось. Они описывали картины, явно связанные с компьютерной игрой.
Аналогичные сны видели и три пациента с амнезией. Из-за разрушения гиппокампа у них отсутствовала декларативная память, поэтому они не владели игрой и не помнили, как в ней упражнялись. Этот факт — явное свидетельство того, что процедурная память пациентов в этот момент работала, и два вида памяти работают независимо друг от друга. Иначе вместе с сознательной памятью у таких пациентов отказывала бы и бессознательная.
Тот же Стикголд доказал в 2000 г., как важен для имплицитной обработки информации сон в первую же ночь после упражнений. В ходе проведенного им эксперимента 133 человека тренировались в быстром и по возможности безошибочном распознавании ненадолго вспыхивающих на мониторе предметов. Если эксперимент повторялся в течение того же дня, никакого дополнительного эффекта тренированности не возникало. Зато после одной, двух и трех ночей со сном результаты заметно улучшались. Лишь 11 человек к третьему дню так ничему и не научились, хотя две последние ночи хорошо спали и пришли на тест выспавшимися. Этим людям по условиям эксперимента не давали спать в первую ночь после упражнений. «Одна-единственная ночь без сна надолго нарушает нормальный процесс обучения», — подытоживает Стикголд. Кто не ляжет спать в течение 30 ч после усвоения нового материала, трудился напрасно.
Ян Борн сделал из этих исследований вполне практический вывод: «Если вы берете уроки игры на фортепьяно или вождения автомобиля, не стоит после занятий отправляться кутить на всю ночь. В противном случае вы зря выбросили деньги за урок», — посоветовал он мне, когда я приезжал в его институт в Любеке.
В 2000 г. он вместе со своим коллегой Штеффеном Гайсом и другими сотрудниками провел такой же тест, как Стикголд, с целью проанализировать влияние различных фаз сна на обучение. Испытуемые, разбуженные после первой половины сна, в которой доминируют фазы глубокого сна, явно чему-то научились. Те, кому не мешали спокойно проспать и вторую половину, богатую эпизодами БС, показали еще лучшие результаты. Зато третью группу заставили упражняться посреди ночи, когда фаза глубокого сна была уже позади. После этого они получили уже только легкий и БС. Этим людям сон не принес никакой пользы в обучении.
Это «первое сильное экспериментальное доказательство того, что человеческая память конструируется во сне в ходе двухступенчатого процесса», прокомментировал любекские результаты бельгийский невролог Пьер Макс из Льежского университета. В фазу БС, видимо, выносится в основном та информация, обработка которой началась во время глубокого сна. Эта идея хорошо согласуется с так называемой «теорией последовательности», предлагаемой рядом нейробиологов: память образуется во сне в несколько последовательных этапов. Во время БС закрепляется то, что было отобрано как важное в фазе глубокого сна.
Другое предположение гласит, что БС потому так отличается от глубокого сна, что различные виды памяти у человека закрепляются разными путями. Согласно этой теории, БС отвечает за запоминание эмоций и отработку врожденных двигательных навыков. Впрочем, обе концепции можно согласовать, предположив, что в фазе БС мозг связывает с эмоциями информацию, закрепленную в фазе глубокого сна.
И наконец, рабочая группа Дэниэла Марголиаша в Чикаго сумела в 2003 г. доказать, что человек использует сон также для процедурного обучения в акустической области и, что еще важнее, для обобщения проблем. Исследователи обучали участников эксперимента понимать специальным образом искаженные слова. Спустя 12 ч тест проводился снова, но уже с совершенно другими словами. Если подопытные в этот промежуток времени не спали, они забывали принцип перевода и показывали столь же плохие результаты, как в самом начале обучения. Зато после сна они справлялись с текстом не хуже, чем сразу по окончании первой обучающей тренировки.
Следовательно, их мозг во сне закрепил не только воспоминание о конкретных словах, встречавшихся в упражнении, но и общий принцип опознания искаженных звуков. Более того: тем, кто не спал между первыми двумя тестами, и, соответственно, забыл принцип распознания звуков, достаточно было ненадолго вздремнуть, чтобы показатели значительно улучшились. Этот результат, наряду со многими другими, — доказательство эффективности пресловутого «Power-Nap», короткого послеобеденного сна для повышения работоспособности.
Сон для озарения
Итак, мозг во сне незаметно для нас проводит смотр событиям и деятельности минувшего дня. При этом он, видимо, закрепляет бессознательно возникшие связи между отдельными нейронами и создает прочные, воспроизводимые спустя долгое время модели в бесконечной нейронной сети. Сознательная память, вероятно, по сходному принципу перемещает информацию из буфера в долгосрочное хранилище и связывает новые данные с прежними впечатлениями.
Поговорка «утро вечера мудренее» и популярный сейчас совет «переспать с проблемой» говорят о том же самом. Многие люди рассказывают, что лучшие идеи приходят к ним во сне. Немецкий химик Август Кекуле увидел кольцевую структуру молекулы бензола во сне — в виде змеи, кусающей свой хвост. Английский писатель Роберт Льюис Стивенсон рассказывал, что странная история доктора Джекила и мистера Хайда целиком пригрезилась ему в одну из ночей, так что ее оставалось только записать. А американский игрок в гольф Джек Никлаус будто бы вышел из профессионального кризиса, увидев во сне, что ему нужно по-другому держать клюшку.
Правдивость этих историй часто подвергалась сомнению. И все же каждый по собственному опыту знает, что по утрам мы порой действительно умнее, чем накануне вечером. Загадки, с которыми мы легли спать, иногда решаются утром как будто сами собой.
Первое доказательство того, что сон — путь к озарению, получили в 2004 г. Ян Борн и его сотрудник Ульрих Вагнер. Исследователи предложили участникам эксперимента решить трудные и длинные арифметические задачи, имевшие на самом деле простой, всегда одинаковый принцип решения. Затем одна группа испытуемых получила возможность восемь часов проспать, а другая должна была бодрствовать. После этого упражнения в арифметике были продолжены. Ученых интересовало, как быстро подопытные заметят, что есть более простое решение задачи. Те, кому дали возможность поспать, оказались сообразительнее: 60 % из них заметили подвох. В группе неспавших таких оказалось втрое меньше.
Порядок проведения эксперимента был рассчитан так, чтобы ни время суток, ни общая усталость не могли оказать влияния на результаты. Поэтому единственной возможной причиной, объясняющей столь решительное превосходство одной группы над другой, оставалась деятельность мозга во сне. И, конечно, у Борна нашлось для этого объяснение: «Сон не только закрепляет в памяти новые впечатления, он их качественно изменяет. И это позволяет человеку утром по-другому взглянуть на вчерашнюю проблему». Нередко результатом становится совершенно новый подход к решению.
Популярный психолог Михай Чиксентмихайи, наверное, обрадовался такому подтверждению своей правоты. Ведь он писал еще в 1997 г. в книге «Креативность»: «Не нужно чувствовать себя виноватым, если вы спите на пару часов больше, чем принято считать нормальным. Количественные потери во времени бодрствования с лихвой возмещаются качеством сознательной жизни». Его тезис подкрепляют два прославленных примера: Иоганн Вольфганг фон Гете и Альберт Эйнштейн спали не менее 9 ч в сутки. Поэт назвал сон «верным другом, который всем помогает». Физик любил ненадолго вздремнуть днем, ограничивая время таких сиест тем, что держал в руке связку ключей, которая с грохотом падала на пол, если он засыпал слишком глубоко.
Может быть, хотя бы малой частью своей гениальности они обязаны сну?
Дата добавления: 2019-08-31; просмотров: 164; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!