Международная группа ученых, собрав воедино известные факты о памяти человека, сделала интересное предположение о том, где находится семантическая память в мозге.
Ученые подозревают, что хабом такой памяти может быть первый слой неокортекса, в котором, однако же, практически нет нейронов. Свои догадки исследователи изложили на страницах журнала Science.
Строение неокортекса
Новая кора или неокортекс – эволюционно наиболее позднее мозговое образование. Если древняя кора (палеокортекс) отвечает за основные функции нашего организма (обмен веществ, дыхание, циркадные ритмы, эмоциональные стимулы), то новая кора чаще всего упоминается, когда речь идет о сенсорном восприятии, о формировании сложных моторных программ, и, конечно, о языке.
Для новой коры присуще характерное строение из шести слоев. Толщина этих слоев варьируется, зависит от конкретной области мозга и ее функциональной нагрузки. Например, в задних сенсорных отделах мозга сильно развит 4-ый слой, в передних моторных — 3 и 5.
Наиболее известным типом нейронов в составе шестислойных колонок неокортекса считаются пирамидные нейроны, имеющие характерную форму. Вы можете видеть их на картинке выше, как большие треугольные образования. Пирамидные нейроны встречаются не только в новой коре, но именно здесь их больше всего. Эти клетки характеризуются многочисленностью дендритов (коротких отростков), за счет чего они «общаются» с огромным количеством других клеток мозга.
Обратите внимание на рисунок. Самый бедный по количеству нейронов слой – первый. Он находится на поверхности мозга и сформирован в основном дендритами пирамидных нейронов, которые располагаются в слоях ниже. Сюда также приходит множество аксонов из подкорковых областей мозга, включая миндалину, гиппокамп, таламус, базальные ганглии и так далее.
Зная, что семантическая память – это память на факты, и добавив к этому тот факт, что в ее основе лежит язык (то есть это эксплицитная, осознанная память), который локализуется в неокортексе, ученые предположили, что семантическая память тоже хранится в неокортексе. А если конкретизировать – в синапсах первого слоя коры.
Свою гипотезу они подкрепили соображением, что именно в первый слой коры отправляют свои отростки нейроны из подкорковых образований, связанных с обучением: таламус при сенсорной и моторной памяти, миндалина при формировании памяти на пугающие события, гиппокамп в ситуации ассоциативного обучения. Аксоны, идущие из этих областей, связываются здесь с апикальными дендритами пирамидальных клеток, и в результате формируют плотную паутину синапсов, которые могут хранить знания различных фактов о мире.
Семантическое воспоминание
Ученые предположили, что само семантическое воспоминание состоит из двух частей: запоминаемого признака и его контекста. Признак – это результат вычислительной работы пирамидальных нейронов, своеобразная единица информации – самая важная, та, которую нужно запомнить. Так как это результат работы пирамидального нейрона, информация о признаке находится в базальных дендритах, которые располагаются под нейроном (то есть в 5-6 слое).
В то же время контекст представляет собой всю активность в мозге, которая происходит одновременно с активностью в синапсе, кодирующем определенный признак. Информация о контексте кодируется в первом слое неокортекса.
Для того, чтобы признак был воспринят как признак, как наиболее важная и выделяющаяся из контекста информация, необходимо его многократное повторение. Таким образом, когда вы помногу раз повторяете стихотворную строчку, пытаясь ее выучить, мозг определяет, что именно она – наиболее существенная информация. А все остальное – контекст.
Получается, пирамидные клетки оказываются между контекстной информацией и информацией о признаке. Идеальное место! Это позволяет им «вычислить семантическое воспоминание», то есть ассоциировать контекст с признаком.
Далее нейрон стабилизирует воспоминание, переводя его в форму долговременной памяти. Но как он это делает и от чего зависит стабилизация, ученые ответить не могут. Возможно, что упрочнение следов памяти зависит от того, из какой подкорковой области пришла информация. Например, если она пришла из гиппокампа, то критерием закрепления воспоминания становится новизна, если из миндалины – то эмоциональная насыщенность.
Попробуем собрать все научные мысли ученых в одном примере. Представьте себе, что вы видите тигра в первый раз в своей жизни. Восприятие тигра будет активировать весь мозг: одна колонка неокортекса будет кодировать один признак тигра – цвет (и воспринимать другие в качестве контекста), другая – форму, и так далее. Если цвет становится признаком, то форма и движение – сенсорным контекстом. Пирамидные нейроны, ассоциируя контекст и признак, сформируют понятие «тигр» и ваше знание о нем.
Формирование памяти
Ученые предполагают, что общение первого слоя с подкорковыми структурами может происходить двумя путями. Первый путь (содержательный) состоит в том, что подкорковые структуры передают в первый слой всю информацию о событии полностью (о том, что есть признак, а что — контекст). Второй путь (коммуникационный) предполагает, что подкорковые структуры говорят отделам мозга, кодирующим контекст, в какую именно точку первого слоя нужно направить свой импульс, чтобы тот понял: что есть признак, что есть контекст.
Второй сценарий может объяснять, почему порой столкнувшись со знакомой ситуацией, например, почувствовав запах духов, мы сразу вспоминаем его обладателя (признак). Вполне возможно, что оба варианта формирования памяти (содержательный и коммуникационный) работают вместе, параллельно.
Итогом обоих сценариев будет вычисление пирамидным нейроном семантического воспоминания и его последующая стабилизация в первом слое. Такое представление о семантической памяти заставляет предположить, что та является лишь совпадением по времени различной информации из корковых и подкорковых структур.
Обучение
Идея о том, что ассоциативные воспоминания хранятся в первом слое коры, дает возможность связать этот факт с обучением. Ученые предполагают, что может существовать две стадии обучения: выделение признака (наиболее часто повторяющийся стимул) и выделение контекста. Сама форма пирамидных нейронов может пояснять эту идею: нейрон как бы разъединяет обучение по признаку и обучение по контексту, разводя эти два типа информации по разным дендритным отросткам. Это позволяет вспоминать и запоминать семантическую информацию двумя способами: исходя из контекста и/или из смысла.
Стоит отметить, что в своей статье ученые не говорят о том, где в нашей голове хранится конкретное семантическое воспоминание. Они лишь указывают, что в целом семантическая память может локализоваться в первое слое неокортекса. Если это так, то это может помочь в лечении заболеваний, связанных с расстройствами памяти.
Текст: Никита Отставнов