Воспоминания привередливы. Я путешествовал по Атлантической Канаде последние три недели, и мои воспоминания о поездке — даты, места, еда, приключения — уже не совпадают с значками на Картах Google или записями в журнале. Мой мозг усваивал новый опыт и кодировал воспоминания, но недостаточно интенсивно, чтобы продержаться хотя бы неделю.
Сохранение памяти ухудшается с возрастом. Для людей с травмами головного мозга, например, в результате инсульта или физической травмы головного мозга, нарушение может быть крайне изнурительным. Что, если бы существовал способ искусственно повысить способность мозга сохранять воспоминания?
Идея звучит как Black Mirror эпизод. Но в этом месяце, нового исследования in Границы в человеческой нейронауке представили одни из первых доказательств того, что «протез памяти» возможен у людей. Протез — это не устройство; скорее, это серия электродов, имплантированных в гиппокамп — структуру, находящуюся глубоко в мозгу и имеющую решающее значение для эпизодических воспоминаний — которые кодируют, когда, где и что из нашего повседневного опыта.
Эта установка опирается на совершенно неромантический взгляд на память. Вместо волн богатых, детальных, эмоциональные воспоминания которые наполняют наш мозг, он утверждает, что воспоминания — это просто электрические сигналы, генерируемые хорошо регулируемыми нейронными магистралями внутри гиппокампа. Если мы сможем уловить эти сигналы, пока человек учится, то теоретически мы сможем воспроизвести записи обратно в мозг — в виде электрических импульсов — и потенциально улучшить эту конкретную память.
Команда опиралась на свою предыдущую работу по инженерному протезированию памяти. У людей, страдающих эпилепсией, они показали, что за счет повторного введения нейронных сигналов, кодирующих один тип памяти при выполнении определенной задачи, запы повышали запоминаемость более чем на 50 процентов.
В исследовании участвовала небольшая когорта. Но самое удивительное, что те, кто ранее страдал от потери памяти, показали наилучшие улучшения.
Чтобы внести ясность: команда не разрабатывала видеокамеру для памяти. Система частично имитирует нормальный процесс кодирования и воспроизведения памяти в гиппокампе, который может быть заведомо субъективным и несколько ненадежным. Подобный протез памяти может не сработать в реальном мире, где нас постоянно бомбардируют новыми впечатлениями и воспоминания.
Тем не менее, исследование показывает способ помочь людям с деменцией, болезнью Альцгеймера или другими причинами потери памяти сохранить фрагменты своей жизни, которые в противном случае могли бы быть потеряны.
«Это взгляд в будущее и то, что мы сможем сделать, чтобы восстановить память», — сказал Доктор Ким Шапиро из Бирмингемского университета, не принимавший участия в исследовании, MIT Technology Review.
Как это работает?
Все сводится к электрическим импульсам, окружающим гиппокамп и внутри него.
Давайте увеличим масштаб. Гиппокамп, структура в форме морского конька, часто описывается как монолитный центр воспоминаний. Но (вставьте аналогию с едой) это скорее не однородный кусок сыра, а многослойный сырный соус, в котором электрические импульсы проходят через разные слои, кодируя, сохраняя и вызывая воспоминания.
Что касается протеза памяти, команда сосредоточилась на двух конкретных областях: CA1 и CA3, которые образуют тесно взаимосвязанную нервную цепь. Десятилетия исследований на грызунах, приматах и людях показали, что эта нейронная магистраль является ключевым моментом кодирования воспоминаний.
Члены команды во главе с Dr. Донг Сонг из Университета Южной Калифорнии и Роберт Хэмпсон из Медицинской школы Уэйк Форест не новички в протезировании памяти. Совместно с «биоинженером памяти» доктором Теодором Бергером, который работал над перехватом цепи CA3-CA1 для улучшения памяти более трех десятилетий, команда мечты добилась своего первого успеха на людях в 2015 году.
Основная идея проста: воспроизвести сигналы гиппокампа с помощью цифровой замены. Это непростая задача. В отличие от компьютерных схем, нейронные цепи нелинейны. Это означает, что сигналы часто чрезвычайно зашумлены и перекрываются во времени, что усиливает или подавляет нейронные сигналы. Как тогда сказал Бергер: «Это хаотичный черный ящик».
Чтобы взломать код памяти, команда разработала два алгоритма. Первая, называемая моделью декодирования памяти (MDM), берет среднее значение электрических паттернов у нескольких людей по мере формирования воспоминаний. Другой, называемый «мульти-вход-мульти-выход» (MIMO), немного более сложен, поскольку он включает в себя как входные, так и выходные электрические схемы (то есть схему CA3-CA1) и имитирует эти сигналы как в пространстве, так и во времени. Теоретически, передача обоих электрических сигналов, основанных на MDM и MIMO, обратно в гиппокамп должна дать ему импульс.
В серии экспериментов сначала у крыс и обезьян, затем в здоровые люди, команда обнаружила, что их протезирование памяти может улучшить память при временном нарушении работы нейронных цепей, например, из-за приема лекарств. Но обхода поврежденных цепей недостаточно: они хотели создать настоящий протез памяти, который мог бы замещать гиппокамп в случае его повреждения.
A Whole New World
В новом исследовании использовался ценный нейробиологический ресурс: люди, страдающие эпилепсией, которым имплантировали электроды в области мозга, связанные с памятью. Имплантаты, расположенные глубоко внутри мозга, помогают нейрохирургам отслеживать источник судорог у людей. Среди 25 отобранных участников у некоторых не было других симптомов, кроме эпилепсии, тогда как у других были легкие и умеренные травмы головного мозга.
Вот тест. Участникам показывали изображение на экране, затем, после задержки, им показывали одно и то же изображение с семью различными альтернативами. Их целью было выделить знакомое изображение. Каждый участник быстро прошел 100–150 испытаний, во время которых регистрировалась активность гиппокампа, чтобы зафиксировать кратковременную память.
По крайней мере через 15 минут участникам показали 3 изображения и попросили оценить степень знакомства каждого из них. Это непростая задача: одно представляло собой образец изображения из судебного процесса, другое — альтернативный вариант, который казался знакомым, а третий — никогда ранее не встречавшийся. Это было сделано для того, чтобы сохранить их долговременную память.
Видение будущего. В один из дней между снятием электродов участники прошли еще один раунд тестов на память, аналогичный предыдущим. Некоторые люди получали электрическую стимуляцию на основе собственных нейронных сигналов, обработанных алгоритмом MDM или MIMO. Другие были поражены случайными импульсами. Последняя группа вообще не получала никакой стимуляции.
В целом стимуляция мозга людей, страдающих эпилепсией, повысила производительность памяти примерно на 15 процентов. У тех, кто получал импульсы с помощью MDM, в котором используются усредненные электрические сигналы, прирост составил жалкие 13.8 процента. Напротив, модель MIMO, которая имитирует нейронные сигналы каждого гиппокампа, улучшила их производительность на 36 процентов.
«Независимо от базовой функции памяти (нарушенная или нормальная), модель MIMO обеспечивает как минимум двойное облегчение по сравнению с моделью MDM», — заявили в команде.
Долгая дорога впереди
Несмотря на многообещающие результаты, исследование является лишь следующим небольшим шагом на пути к протезированию гиппокампа. Поскольку после второго теста участникам удалили электроды, мы не знаем, длился ли эффект (и как долго) и необходима ли непрерывная стимуляция.
Хотя протез памяти может принести пользу людям с болезнью Альцгеймера, необходимо прояснить множество деталей. Установка электродов здесь относительно примитивна — возможен ли микрочип или неинвазивное устройство? Если да, то должно ли устройство быть включено круглосуточно? В конце концов, мы не помним все наши воспоминания — считается, что во время сна происходит своего рода синаптическая «очистка».
На данный момент технология далека от готовности к клиническому использованию. Но это лишь проблеск того, что могло бы быть. По крайней мере, исследование показывает, что это похоже на управляемый мозгом протез конечности, чип памяти не является чем-то невозможным для людей, которые в нем нуждаются больше всего.
