Память. Часть первая

Изучаем ли мы процессы регенерации (восстановления ткани в живых организмах), либо сложные поведенческие акты пчел или муравьев, строящих свои жилища, пытаемся ли вскрыть алгоритмы поведения обезьяны, нагромождающей ящики один на другой, чтобы уже с них дотянуться до банана — повсюду мы сталкиваемся с циклом процессов: восприятие информации, ее фиксация, хранение и воспроизведение.

Этот комплекс процессов, позволяющий живым существам разбираться в событиях, происходящих во внешней среде, называется памятью. Существует большое количество различных определений памяти, но мы примем следующее не очень сложное и не очень запутанное определение, предложенное Ё. Н. Соколовым: система обладает памятью, если она содержит в себе некоторую информацию о сигнале после того, как сигнал перестал действовать.

Определить, обладает ли данная кибернетическая система памятью, мы можем, выяснив, способна ли она к узнаванию и воспроизведению. Память проявляется в узнавании и воспроизведении.

Узнавание образов — это то проявление памяти, которое обычно связано с восприятием. Говоря схематично, информация с рецепторов поступает по каналу в блок, где определяется степень ее новизны, — это блок сравнения только что воспринятой информации и информации, накопленной ранее! Узнавание и есть результат этого сравнения. Воспроизведение же может происходить вне процесса восприятия. Скрипач может наизусть сыграть знакомую ему пьесу; закрыв глаза, вы можете воспроизвести лицо знакомого вам человека, вид вашей комнаты.

Восприятие информации и ее фиксация — это условие ее сохранения в памяти, а узнавание и воспроизведение — это обнаружение того, что данная информация сохранилась в памяти.

Проблема изучения памяти, ее механизмов является сейчас одной из самых актуальных проблем в физиологии и кибернетике. В этом направлении проведено и проводится большое количество исследований. О некоторых из них мы и расскажем в этой статье. Учеными уже обнаружено, что, хотя и нет специфических отделов мозга, ответственных за процесс запоминания, определенные его области играют различную роль в этом сложном процессе.

Большое впечатление произвели в свое время опыты Лешли, обучавшего крыс сложной системе навыков. После того как крыса приобретала определенные навыки, у нее удаляли разные отделы мозга. Было замечено, что ухудшение памяти зависит от величины удаленного участка, а не от того, какой именно участок удален.

Однако другие ученые получили факты, которые указывают на специфическую роль некоторых отделов мозга в процессе запоминания. Так, например, Джаопер и Пепфилд показали, что в височной части больших полушарий коры головного мозга человека находятся отделы, раздражение которых электрическим током вызывает у людей определенные воспоминания.

Очень интересны опыты, в которых было доказано, что запоминание информации может проходить в одном из полушарий головного мозга. Эксперименты проводились следующим образом: перерезали пучок волокон, соединяющих оба полушария, а животных обучали через один рецептор при отключении другого (скажем, одного глаза). Если пучок волокон, соединяющих оба полушария, перерезали до обучения, то второе полушарие (с отключенным рецептором) не обучалось. Если же рассечение пучка производилось после обучения, то оба полушария были обучены.

Все эти эксперименты имеют огромный интерес, но, к сожалению, еще не вскрывают механизма фиксации информации в мозге. Нам же важно знать, как в нужный нам момент в огромной картотеке мозга происходит быстрая выборка необходимых сведений. Итак, проблему механизмов памяти можно определить как проблему получении информации, сохранения и воспроизведения ее на различных уровнях. Ведь память можно связать и с поведением человека в обществе, и с организацией нервной ткани (нервными сетями), и с функцией отдельного нейрона или живой протоплазмы, и, наконец, с молекулярными процессами.

Мы являемся свидетелями того, как наука о памяти в последние годы шагнула на молекулярный уровень исследования. Предпосылкой для этого явились новые кибернетические исследования, которые показали, что в сложных белковых молекулах может быть записано огромное количество информации (это связано с наличием множества вариантов структур молекулы). На основе теории информации можно подсчитать количество информации, которую способна хранить каждая молекула.

Эти теоретические выводы неожиданно были подтверждены опытом. У червей планарий вырабатывался оборонительный условный рефлекс, связанный с раздражением их электрическим током. После такого запоминания червей измельчали в ступке и полученной массой кормили необученных планарий. Оказалось, что после этого вторая группа червей «обучалась» — вырабатывала оборонительный рефлекс значительно быстрее, чем первая. Надо подчеркнуть, что черви измельчались очень тщательно и о сохранении каких-либо клеточных структур не могло быть и речи. Следовательно, передача информации от первой группы ко второй, видимо, происходила на молекулярном уровне.

Сейчас еще трудно судить о разумности исследований проблемы памяти на каком-то одном из перечисленных уровней. Здесь, вероятно, как и везде, необходимо учитывать взаимодействие процессов, протекающих на разных уровнях. Так, вполне возможно предположить, что информация, записанная на молекулярном уровне, хранится в системах глиальных клеток, находящихся между нейронными, а нервные сети принимают участие в классификации информации при ее запоминании и в процессах выборки и передачи информации.

В разработке проблемы памяти большое значение в настоящее время приобретает кибернетический аспект исследования. Работами Клини было показано, что сложные события могут быть запечатлены в определенных конструкциях элементов. Таким образом, возникает гипотеза о том, что запись информации может осуществляться в системах определенным образом соединенных клеток. Эти конструкции возникают в процессе обучения за счет формирования связей между клетками.

Эта гипотеза во многом совпадает с концепцией И. П. Павлова. В настоящее время ведутся работы по созданию теории ассоциативной памяти. Эта теория, оперируя понятиями абстрактных нейронов, пытается объяснить не только, как запоминается информация, но и как она отыскивается в нужное время.

Вот один из интересных примеров работ кибернетиков. Несколько лет назад в Московском энергетическом институте группой Ю. Кушелева были начаты работы по изучению обучающихся матриц. Матрицы, иначе говоря, сетки, представляли собой сложную структуру, состоящую из большого числа «нервных клеток», между которыми могли образоваться новые связи. Принцип построения такой «нервной сети» должен был объяснить, как в головном мозге человека может отбираться, запоминаться и использоваться в нужное время информация, необходимая ему для формирования целесообразного поведения.

Конечно, при построении подобной матрицы были использованы только модели нервных клеток — роль нейронов выполняли в данном случае ферромагнитные и полупроводниковые реле. Но и с помощью таких «формальных нейронов» оказалось возможным проверить многие истины, характерные для нейронов настоящих.

Бесспорно, построение модели нервных сетей еще не решает вопроса о механизмах работы мозга. Но роль теории «нервных сетей» можно сравнить с ролью, которую играет, например, геометрия в строительстве мостов. Геометрия не дает, как известно, ни стали, ни бетона. Но тем не менее мост без учета ее законов построить невозможно.

Продолжение следует...