Механизмы и принципы работы памяти головного мозга человека

image

Поводом написания данной статьи послужила публикация материала американских неврологов на тему измерения емкости памяти головного мозга человека, и представленная на GeekTimes днем ранее.

В подготовленном материале постараюсь объяснить механизмы, особенности, функциональность, структурные взаимодействия и особенности в работе памяти. Так же, почему нельзя проводить аналогии с компьютерами в работе мозга и вести исчисления в единицах измерения машинного языка. В статье используются материалы взятые из трудов людей, посвятившим жизнь не легкому труду в изучении цитоархитектоники и морфогенетике, подтвержденный на практике и имеющие результаты в доказательной медицине. В частности используются данные Савельева С.В. учёного, эволюциониста, палеоневролога, доктора биологических наук, профессора, заведующего лабораторией развития нервной системы Института морфологии человека РАН.

Прежде, чем преступить к рассмотрению вопроса и проблемы в целом, мы сформулируем базовые представления о мозге и сделаем ряд пояснений, позволяющих в полной мере оценить представленную точку зрения.

Первое что вы должны знать: мозг человека — самый изменчивый орган, он различается у мужчин и женщин, расовому признаку и этническим группам, изменчивость носит как количественный (масса мозга) так и качественный (организация борозд и извилин) характер, в различных вариациях эта разница оказывается более чем двукратной.

Второе: мозг самый энергозатратный орган в человеческом организме. При весе 1/50 от массы тела он потребляет 9% энергии всего организма в спокойном состоянии, например, когда вы лежите на диване и 25% энергии всего организма, когда вы активно начинаете думать, огромные затраты.

Третье: в силу большой энергозатраты мозг хитер и избирателен, любой энергозависимый процесс невыгоден организму, это значит, что без крайней биологической необходимости такой процесс поддерживаться не будет и мозг любыми способами старается экономить ресурсы организма.

Вот, пожалуй, три основных момента из далеко не полного списка особенностей мозга, которые понадобится при анализе механизмов и процессов памяти человека.

Что же такое память? Память – это функция нервных клеток. У памяти нет отдельной, пассивной эноргонезатратной локализации, что является излюбленной темой физиологов и психологов, сторонников идеи нематериальных форм памяти, что опровергается печальным опытом клинической смерти, когда мозг перестает получать необходимое кровоснабжение и примерно через 6 минут после клинической смерти начинаются необратимые процессы и безвозвратно исчезают воспоминания. Если бы у памяти был энергонезависимый источник она могла бы восстановиться, но этого не происходит, что означает динамичность памяти и постоянные энергозатраты на ее поддержание.

Важно знать, что нейроны, определяющие память человека, находятся преимущественно в неокортоксе. Неокортекс содержит порядка 11млрд. нейронов и в разы больше глии. (Глия – тип клеток нервной системы. Глия является средой для нейронов глиальные клетки служат опорным и защитным аппаратом для нейронов. Метаболизм глиальных клеток тесно связан с метаболизмом нейронов, которые они окружают.

Неокортекс:

image

Глии, связи нейронов:

image

Хорошо известно, что в памяти информация хранится разное время, существуют такие понятия как долговременная и кратковременная память. События и явления быстро забываются, если не обновляются и не повторяются, что очередное подтверждение динамичности памяти. Информация определенным образом удерживается, но в отсутствии востребованности исчезает.

Как говорилось ранее, память – энергозависимый процесс. Нет энергии – нет памяти. Следствием энергозависимости памяти является нестабильность ее содержательной части. Воспоминания о прошедших событиях фальсифицируются во времени вплоть до полной неадекватности. Счета времени у памяти нет, но его заменяет скорость забывания. Память о любом событии уменьшается обратно пропорционально времени. Через час забывается ½ от всего попавшего в память, через сутки – 2/3, через месяц – 4/5.

Рассмотрим принципы работы памяти, исходя из биологической целесообразности результатов ее работы. Физические компоненты памяти состоят из нервных путей, объединяющих одну или несколько клеток. В них входят зоны градуального и активного проведения сигналов, различные системы синапсов и тел нейронов. Представим себе событие или явление. Человек столкнулся с новой, но достаточно важной ситуацией. Через определенные сенсорные связи и органы чувств человек получил различную информацию, анализ события завершился принятием решения. При этом человек доволен результатом. В нервной системе осталось остаточное возбуждение – движение сигналов по сетям, которые использовались при решении проблемы. Это так называемые «старые цепи» существовавшие до ситуации с необходимостью запоминать информацию. Поддержания циркуляции разных информационных сигналов в рамках одной структурной цепи крайне энергозатратно. Потому сохранение в пямяти новой информации обычно затруднительно. Во время повторов или схожих ситуациях могут образоваться новые синаптические связи между клетками и тогда полученная информация запомнится на долго. Таким образом, запоминание – это сохранение остаточной активности нейронов участка мозга.

Память мозга – вынужденная компенсаторная реакция нервной системы. Любая информация переходит во временное хранение. Поддержка стабильности кратковременной памяти и восприятия сигналов от внешнего энергетически крайне затратна, к тем же клеткам приходят новые возбуждающие сигналы и, накапливаются ошибки передачи и происходит перерасход энергетических ресурсов. Однако ситуация не так плоха, как выглядит. Нервная система обладает долговременной памятью. Зачастую она так трансформирует реальность, что делает исходные объекты неузнаваемыми. Степень модификации хранимого в памяти объекта зависит от времени хранения. Память сохраняет воспоминания, но изменяет их так, как хочется обладателю. В основе долговременной памяти лежат простые и случайные процессы. Дело в том, что нейроны всю жизнь формируют и разрушают свои связи. Синапсы постоянно образуются и исчезают. Довольно приблизительные данные говорят о том, что этот процесс спонтанного образования одного нейронного синапса может происходить у млекопитающих примерно 3-4 раза в 2-5 дней. Несколько реже происходит ветвление коллатералей, содержащих сотни различных синапсов. Новая полисинаптическая коллатераль формируется за 40-45 дней. Поскольку эти процессы происходят в каждом нейроне, вполне можно оценить ежедневную емкость долговременной памяти для любого из животных. Можно ожидать, что в коре мозга человека ежедневно будет образовываться около 800 млн. новых связей между клетками и примерно столько же будет разрушено. Долговременным запоминанием является включение в новообразованную сеть участков с совершенно не использованными, новообразованными контактами между клетками. Чем больше новых синаптических контактов участвует в сети первичной (кратковременной) памяти, тем больше у этой сети шансов сохраниться надолго.

Запоминание и забывание информации. Кратковременная память образуется на основании уже имеющихся связей. Её появление обозначено оранжевыми стрелками на фрагменте б. По одним и тем же путям циркулируют сигналы, содержащие как старую (фиолетовые стрелки), так и новую (оранжевые стрелки) информацию. Это приводит к крайне затратному и кратковременному хранению новой информации на базе старых связей. Если она не важна, то энергетические затраты на её поддержание снижаются и происходит забывание. При хранении «кратковременной», но ставшей нужной информации образуются новые физические связи между клетками по фрагментам а-б-в. Это приводит к долговременному запоминанию на основании использования вновь возникших связей (жёлтые стрелки). Если информация долго остаётся невостребованной, то она вытесняется другой информацией. При этом связи могут прерываться и происходит забывание по фрагментам в-б-а или в-a (голубые стрелки)."

image

Из выше сказанного ясно, что мозг динамическая структура, постоянно перестраивается и имеет определенные физиологические пределы, так же мозг чрезмерно энергозатратный орган. Мозг не физиологичен, а морфогенетичен, потому его активности некорректно и неправильно измерять в системах, используемых и применимых в информационных технологиях. Из за индивидуальной изменчивости мозга не представляется возможным делать какие либо выводы обобщающие различные функциональные показатели мозга человека. Математические методы так же не применимы в расчете структурного взаимодействия в работе мозга человека, из за постоянного изменения, взаимодействия и перестраивания нервных клеток и связей между ними, что в свою очередь доводит до абсурда работу американских ученых в исследовании емкости памяти головного мозга человека.
Поделиться публикацией
Ой, у вас баннер убежал!

Ну. И что?
Реклама
Комментарии 38
  • 0
    Спасибо, интересно и любопытно. Я интересуюсь работой НС в контексте управления движениями и постуральным балансом, но для общего развития статья интерсная.

    Существует феномен т.н. фотографической памяти. С чем он связан? И как в таких условиях осуществляется энергетическое обеспечение мозга? Потому как если по логике — то затраты будут в разы больше, чем у мозга «обычного человека» (без такого феномена).
    И что вы можете сказать про тренировку памяти?
    Спасибо =)
    • +1
      Понятие фотографичной памяти мне встречалось редко, делаю вывод из прочитанной литературы по цитоархитектоники и физиологии работы мозга. Принцип работы памяти неизменен — вовлечение сенсорных областей нервной системы для обработки информации события или явления, через органы чувств, кстати их у человека на порядок больше, чем 5 или 6, как любят утверждать психологи и научные фантасты. Чем больше органов чувств будет участвовать в процессе, тем ярче и «живей» будет запоминание и как следствие научение, использование большого количества органов чувств, конечно, влечет за собой огромные затраты энергии, если существует биологическая и практическая необходимость, для последующей экономии ресурсов организма событие запомнится. Так же в случае эмоционального потрясения, формируются стойкие нейронные цепочки, хранящие впечатление от произошедшего.

      Что касается тренировки памяти. Мозг нуждается в постоянном крвоообращении, будь то память или моторика. Мозг надо нагружать, постоянно ставить неразрешимые задачи, только сложные задачи позволяют увеличить кровоток и метаболизм и спасти нейроны от гибели и голодания.
      • 0
        Спасибо. Насчет тренировки я в общем так и предполагал.
        По поводу органов чувств — понятно, что одних «входов» постуры больше — плантарное чувство, мышечно-скелетное, проприоцепторы, зрительный анализатор, вестибулярный аппарат, височно-нижнечелюстной сустав…
        • 0
          У меня фотографическая память. Вот запоминаю все и много… От 2,5 лет помню. Могу сказать где лежал каждый ключик и скорлупка от семечки (нет, правда). Помню свой вчерашний, позавчерашний и т.д. сны. Могу вернуться ко многим воспоминаниям — нужен только якорь, от которого оттолкнуться (кроме некоторых — их достаточно упомянуть во воспоминаниях)
          • 0
            А вы не пробовали проверить, что память о старых событиях верна? Вполне возможно, что мозг каждый раз достраивает детали заново исходя из предположений на основе предыдущего опыта. Например, можно в подробностях записать воспоминание, а через год повторить и сравнить записи.
            • 0
              Я обращался к тем, кто был рядом на тот момент. Детали воспоминаний врядли они повторят, поэтому попробую записать и повторить.
            • 0
              А запомнить англо-русский словарь?
              • 0
                Суть запоминать получается, а вот сам текст — не весь
        • 0
          «мозг самый энергозатратный орган в человеческом организме.»
          «в силу большой энергозатраты мозг хитер и избирателен, любой энергозависимый процесс невыгоден организму»
          Можете раскрыть как эти вещи взаимодействуют? Мозг игнорирует свои затраты?
          • 0
            Хоть я и не автор, но подозреваю, что речь идет о том, что организм стремиться в каждую минуту времени расходовать минимум необходимой энергии. Это как с паттернами движений: нервная система не контролирует каждую мышцу в отдельности, у нее нет «мышечной памяти». Есть только цель «что надо сделать» и действие исходя из минимальных энергозатрат
            • 0
              Миллионы лет эволюции и жесточайшего отбора. Еды всегда было мало. Мозг не верит, что завтра будет пропитание, потому контролирует энергозатраты и постоянно пытается восполнить с запасом, если есть возможность с излишками. Контролируется гормонально.
              • 0
                Я имел в виду если мозг — самый затратный орган, а организм стремится снизить затраты, то как это соотносится? В мозге не возникает коллизии?
                • 0
                  Мозг пытается снизить затраты организма, никаких коллизий, речь идет о выживании, см. предыдущий комментарий.
                  • 0
                    А почему должно? Все равно затраты не снизятся настолько, чтоб высшая нервная деятельность прекратилась.
                    • 0
                      Затраты снизятся в 2,5 раза, что существенно. Мозг работает на 100% и всегда. Прекращение активности мозга означает смерть. Почему должно? потому что гормональное поведение человек не контролирует.
                      • 0
                        Каюсь, пропустил «не»
                        «почему не должно?» в плане «почему не должно соотносится» =)
                • +4
                  Мозг не игнорирует затраты, он их минимизирует. Используется любая возможность для «оптимизации», даже если это искажает понимание действительности.
                  Если в чём-то можно не разбираться — это что-то будет принято как факт. Именно с этим свойством мозга связана живучесть религий (очень просто «объясняющих» сложные вещи), отсутствие банального любопытства у большинства людей и т.п.
                  Даже такие штуки, как критическое мышление и логика, требуют тренировки для постоянного применения.
                  • 0
                    спасибо, это именно то, что я спрашивал
                    • 0
                      Осталось придумать, как развивать своих детей, чтобы у них формировались необходимые навыки мышления.
                    • 0
                      Комплексы, отсутствие любопытства, апатия, депрессии, попытки самоубийства — различные расстройства возникают из-за того, что мозг пытается сократить энергозатраты.

                      Например люди, которые мало учились (не тренировали мозг), крайне неохотно узнают новое. Если им попытаться что-то рассказать дольше чем даже несколько секунд, они начинают проявлять агрессию, вплоть до истерики — мозг активно сопротивляется нагрузке.

                      Сила воли — это попытка противостоять мозгу. Когда ты решил, что все, сегодня начинаю заниматься спортом. А тело видит, что это лишние расходы. Мозг тебя миллион раз обманет и придумает кучи отговорок, лишь бы этого не делать, и очень мало людей, которые смогут осознать это, и все же начать заниматься спортом. Это же касается и любых других, уже устоявшихся привычек.
                      • 0
                        За спорт есть так же и вознаграждения. Не всё так однобоко.
                        • 0
                          Мозг про это не знает. Вознаграждение появится не сразу, мозг же не умеет предсказывать сам по себе, это делаем мы, абстрактным мышлением.
                          Но обратите внимание, что после регулярных занятий, когда тело чувствует себя хорошо, хитрый мозг адаптируется и к такому, и начинает тебя гонять — давай давай, еще еще. Иногда может и загнать, не понимая, что должны быть пределы. В общем все верно, человек умнее своего мозга, а мозг иногда хитрее )
                          • 0
                            Про знает/не знает. Для примера посмотрите на играющих детей. Награда вполне себе компенсирует физическую (и часто умственную) деятельность. Вопрос лишь в стимуляции, в оценке награды. Мне кажется, что такая теория «мозг vs тело и заодно vs мозг» слишком оторвана от практики и будет применяться на последних стадиях истощения.
                            Примеров масса — игры различного толка: командная игра, детские игры, азартные игры. Одна лишь социальная награда из командных игр уже способна перевесить энергозатраты тела, показаться мозгу важнее миски еды, которую он и так получит через час-другой. Не такой у них вес, как вы это представляете, запасы энергии давно сделали наше тело во многом автономным.

                            На мой взгляд, если ты «решил» занятся спортом и продолжаешь лежать. То тебе сейчас просто приятнее лежать, чем заниматься спортом. А причины для этого могут быть самые разные. Чем больше жира, тем больше энергии запасено, но тем менее охотно ты решишь заняться спортом, что противоречит лишь энергетической оценке.

                            И вообще
                            Когда ты решил, что все, сегодня начинаю заниматься спортом. А тело видит, что это лишние расходы.

                            На мой взгляд — ты просто ещё не решил, но пытаешься себя убедить, что решил. Так же, как с бросанием курить. Если решил на самом деле, то выглядит это совсем иначе и имеет другие последствия.
                            Есть такая формулировка, что все твои решения уже приняты, тебе остаётся лишь понять их.
                            • +1
                              На мой взгляд желание детей играть связано в первую очередь с гормональным воздействием. Молодой организм должен набрать определенный объем мышц и отточить моторику, чтобы быть способным выживать в условиях дикой природы (да, мы живем в цивилизованном мире, но наши гены об этом еще не знают, прошло всего ничего по меркам эволюции).
                              • 0
                                Вот любопытная статья на эту тему.
                                Чем больше времени детеныши ассамских макак проводят за играми, тем быстрее развиваются их моторные навыки, но тем медленнее они растут. Эти наблюдения говорят о том, что животные могут уделять время игре, даже если ради нее придется пожертвовать частью ресурсов, необходимых для роста. Такое поведение могло закрепиться, только если выгода от навыков, развитию которых помогают игры, очень велика.
                    • 0
                      Для интересующихся, крутая лекция Анохина о процессах памяти
                      • 0
                        частности используются данные Савельева С.В.

                        из той поры, когда он был нормальным ученым, или его нынешние лженаучные изыскания?
                        • 0
                          Поставлю на тех ребят которые за тонкоматериальную природу памяти. Лет через 200 они победят))
                          • 0
                            По крайней мере очень в это хочется верить…
                            • 0
                              Первые полминуты пример работы с сознанием и памятью. Насколько я понимаю на время убирается соответствие между видимым предметом (диктофоном) и его названием.
                          • 0
                            А что вы думаете о сервисах на подобие Lumosity?
                            • 0
                              Хорошая вещь. Главное находить время на тренировки.
                            • –1
                              Понимаете память у человека по факту бесконечна но дело в том что она ссылается к двум источникам это сознательное состояние и подсознательное как раз в подсознательном состояние она и бесконечна за счёт того что Мозг постоянно всё запоминает звуки чувства и те люди которые способны управлять на должном уровне подсознанием способны на всё

                              В конце концов наука всё таки придёт к тому что Мозг — это и есть всё (не по научному (сори))
                              Ведь Мозг признан самым сложным объектом во Вселенной №1 по сложности так что думаю ещё многое предстоит сделать что бы хотя бы немного процентов на 17 % приоткрыть занавесу загадки
                              • 0
                                Ведь Мозг признан самым сложным объектом во Вселенной
                                Сложность объекта во многом зависит от уровня на котором мы его расматриваем. Стакан воды является простым объектом если мы расматриваем его как однородное твердое тело и однородную жидкость. Если мы вспоминаем про молекулы, то попытка ставновится намного сложней: 20 градусов по целсию воды в стакане не означает что все молекулы движутся со скорость соотвествующей 20 градусам, они могут двигаться с разной сокростью и только усредненная скорость равна 20. А еще — почему молекулы воды не проходят через стакан? Тут тоже не все просто. Кстати, у а нас уже есть компьютеры которые смогут смоделировать поведение _всех_ молекул в стакане и в воде? Видете не только мозг не можем смоделировать. А можно опуститься на уровень атомов. А можно и еще ниже — на уровень элементарных частиц. И кто тогда сможет описать сушествание стакана воды?
                                • 0
                                  Но в целом стакан с водой поддается прогнозированию с помощью статистических законов. А вот прогнозировать работу мозга (и множества других вещей, которые называют Complex System) мы ещё не умеем.
                                  • 0
                                    Любой политик, священник и т.д. умеет статистически прогнозировать поведение мозга. И управлять им подавая на вход нужные сигналы. В целом у них получается, за исключением статистически незначимой погрешности. Это как логическое программирование на языках в роде пролога: берем решатель, загружем ему среду и цель и он стремится к цели попутно выполня всякие полезные, для прграммиста, действия. Предидущая фраза относится как компьютерам, так и к людям.
                                    • +1
                                      ну во-первых они прогнозируют не поведение мозга, а поведение толпы определенных людей в очень узком смысле. Во-вторых, незначительная статистическая погрешность — это по-вашему сколько? Очень сомневаюсь, что вышеперечисленные деятели могут прогнозировать что-то с точностью 99.9%.
                                      • 0
                                        Не знаю, в обоих случаях, этой точности в числах. Но в обоих случаях она достадочная для достижения результата. Бытовое представление о жидкостях и твердых телах, позваляет заварить чаю, искупаться, помыть посуды и полы и сделать все что надо. Даже не зная что стекло на самом деле не твердое тело. Примерно так и с людьми: как мозг работает внутри может никто и не знает, но с точки зрения практических целей, как проманипулировать людьми, — чтоб они сделали что нужно знаний достадочно. Это видно вокруг — оглянитесь. И история манипуляции людьми намного дольше чем история техники.

                              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                              Самое читаемое