Гипотеза синаптической пластичности и памяти: современный взгляд на механизм обучения мозга

Налоги и криптовалюта

Память и способность к обучению остаются одними из самых захватывающих загадок нейронауки. За последние несколько десятилетий гипотеза синаптической пластичности и памяти стала краеугольным камнем в понимании того, как мозг обрабатывает, хранит и восстанавливает информацию. Основная идея заключается в том, что изменения в соединениях между нейронами - синаптические веса - являются как необходимым, так и достаточным условием для формирования и хранения памяти. Этот обзор посвящён анализу происхождения, поддержки и современных сомнений на тему данной гипотезы, а также альтернативным взглядам на биологические механизмы памяти. Гипотеза синаптической пластичности (SPM) основывается на предположении, что именно активностно-зависимые изменения в интенсивности синаптической связи "кодируют" новые воспоминания и обучение.

Облёкшись в понятие "пластичность", она утверждает, что мозг запоминает путем усиления или ослабления определённых синапсов. Это явление нашло подтверждение в таких открытиях, как долговременная потенциация (LTP) и долговременная депрессия (LTD), которые проявляются в усилении или ослаблении передачи сигнала между нейронами на протяжении минут, часов или даже месяцев. Для многих этот концепт кажется очевидным и даже банальным. Действительно, что может быть более интуитивным, чем обучение посредством усиления связей? Искусственные нейронные сети, вдохновлённые биологическими нейронными связями, до сих пор используют "веса" синапсов как основной элемент для обучения и запоминания. Такие модели достигли поразительных успехов в различных сферах, что лишь укрепило позиции SPM.

Однако современная наука отмечает ряд проблем, которые ставят под вопрос как необходимость, так и достаточность синаптических изменений для явления памяти. Во-первых, обнаружено, что отдельные синапсы, особенно в таких структурах, как гиппокамп, имеют довольно ограниченный срок существования - от нескольких дней до нескольких недель. Это противоречит нашему повседневному опыту долговременной памяти, которая может сохраняться десятилетиями. Если синапсы постоянно обновляются, как обеспечить стабильность воспоминаний? Во-вторых, исследования на примере простейших организмов и отдельных клеток показывают, что обучение и память могут складываться вне нейронной сети и, следовательно, не ограничиваться только синаптическими изменениями. Например, эксперименты с морскими слизнями Aplysia демонстрируют способность извлекать обученные реакции, даже когда синаптические изменения были искусственно стерты.

 

Более того, перенос RNA из обученного организма в необученного способен передать признаки, связанные с памятью, что открывает возможность существования молекулярного субстрата памяти, независимого от синапсов. Подобным образом, феномены, связанные с epigenetic (эпигенетической) памятью, подтверждают, что клеточная память может закрепляться посредством химических изменений в ДНК и белках, влияющих на экспрессию генов. Такие процессы могут реально сохранять "следы" опыта организма на молекулярном уровне, и, что ещё более неожиданно, передаваться последующим поколениям. Также в наблюдениях от пациентов с трансплантацией органов встречаются поразительные истории, когда реципиенты органа начинают проявлять изменения в предпочтениях и даже характере, предположительно связанные с их донорами. Несмотря на то, что научная база этих историй остаётся предметом дискуссий и, возможно, психологических факторов, они стимулируют обсуждения о том, что память и опыт могли бы храниться и передаваться не только в мозгу, но и на прочих уровнях биологической организации.

 

Эти и другие данные стимулируют формулирование альтернативных гипотез памяти, среди которых гипотеза клеточных процессов и памяти (CPM) занимает центральное место. Она предполагает, что память - это мультиуровневое явление, включающее молекулярные, внутриклеточные и синаптические механизмы, которые взаимодействуют друг с другом. CPM утверждает, что одних синаптических изменений недостаточно для объяснения всей полноты памяти, и что молекулярные процессы, например динамика белков, транскрипционных факторов и эпигенетических маркеров, являются неотъемлемой частью формирования и удержания информации. Важным аспектом CPM становится то, что молекулярные механизмы могут обеспечивать более стабильное и долговременное хранение информации, компенсируя естественный "износ" и обновление синаптических структур. С другой стороны, синаптические изменения, будучи более динамичными, отвечают, вероятно, за краткосрочные и среднесрочные адаптации и обучение.

 

Несмотря на заманчивость CPM, наука далеко не достигла консенсуса. Большинство нейробиологов признают, что синаптическая пластичность играет ключевую роль в обучении и памяти, но также открыты для изучения дополнительных механизмов и сложности процесса. На сегодняшний день доказательства в пользу CPM в основном косвенные, часто обнаруживаются в простейших организмах или на молекулярном уровне без однозначной связи с сознательным опытом. Изучение процессов памяти усложняется и тем, что мемориальные процессы проявляются на множественных уровнях: от химических реакций и активности белков до взаимодействия целых сетей нейронов. Как именно все эти уровни кооперируются для формирования когнитивного опыта остается открытым вопросом.

Некоторые исследователи предлагают рассматривать память как "распределённую" систему, в которой информация кодируется одновременно в нескольких формах и местах. В прошлом существовало альтернативное представление - гипотеза динамических изменений, предполагавшая, что память проявляется за счет продолжающейся активности нервных цепей без долгосрочной структурной перестройки. Сейчас она рассматривается больше как объяснение кратковременной памяти, с меньшим охватом относительно долговременных процессов. В целом, несмотря на критику и открытые вопросы, гипотеза синаптической пластичности остаётся одной из наиболее изученных и подтверждённых в нейронауке. Она дала основу для понимания многих заболеваний и расстройств памяти, таких как болезнь Альцгеймера, и стимулировала разработку методов улучшения когнитивных функций.

Интерес общества к нестандартным теориям памяти, таким как CPM, во многом связан с желанием проникнуть в глубинные механизмы нашего сознания и раскрыть "тайны" памяти, которые не удаётся объяснить только синаптическими изменениями. Будущие исследования, вероятно, сосредоточатся на интеграции различных подходов, объединении нейрофизиологии, молекулярной биологии и когнитивных наук для создания более полной и точной модели памяти. Понимание того, как именно мозг и организм в целом сохраняют опыт и адаптируются, обещает не только технологический прорыв в области искусственного интеллекта и медицинской терапии, но и позволит глубже понять природу сознания и личной идентичности человека. Гипотеза синаптической пластичности и её современные альтернативы - это ключ к разгадке этих масштабных вопросов, которые волнуют учёных и философов уже много десятилетий. .