Czym jest pamięć i czy można ją trenować? Czy nasze mózgi różnią się czymś od siebie i kiedy będziemy umieli czytać w cudzych myślach? Odpowiada prof. Małgorzata Kossut, neurobiolożka specjalizująca się w mechanizmach uczenia się i pamięci.
Mechanizmy naszego zapamiętywania są mniej więcej tak samo skomplikowane, jak fascynujące, a o tym, jak wiele może przechować ludzka pamięć, nie śniło się nawet Proustowi!
Aleksandra Pezda: Czym jest pamięć?
Prof. Małgorzata Kossut: Zdolnością magazynowania i odtwarzania informacji. Każda informacja odbierana przez ludzki mózg zostawia w nim fizyczny ślad w postaci nowych obwodów neuronalnych, silnie połączonych ze sobą zespołów komórek – nazywamy je engramami. W ten sposób zostaje zapamiętana. Część z tych śladów magazynujemy – tak powstaje tzw. pamięć długotrwała – i w razie potrzeby wydobywamy te zapisane wspomnienia. Ideę engramu opisał już na początku XX w. niemiecki uczony Richard Wolfgang Semon. Już wtedy uważał, że istnieje związek między stanami fizjologicznymi organizmu a pamięcią i że musi istnieć jakiś fizyczny ślad pamięciowy.
Ten związek między pamięcią z mózgiem nie był wcale oczywisty, jeśli popatrzymy na historię nauki. Chociaż już Platon twierdził, że wspomnienia „odciskają ślady w organizmie człowieka”, to jeszcze w XIX w. frenolodzy, którzy podzielili wypukłości na czaszce na miejsca odpowiadające za konkretne funkcje psychicznie, nie potrafili wydzielić obszaru odpowiedzialnego za pamięć. Niemal cały wiek zajęło nam dogrzebanie się do tego, czym są engramy, i potwierdzenie tezy Semona.
Nie ma w mózgu jednego ośrodka odpowiadającego za pamięć?
Jeszcze w latach 30. XX w. badacze myśleli, że trzeba szukać tego jednego, konkretnego ośrodka w mózgu. I uszkadzali kolejne fragmenty mózgu zwierząt doświadczalnych, aby dowiedzieć się tego drogą eliminacji. Techniki uszkadzania były marne, równie marne były tego efekty. Na przykład znakomity skądinąd amerykański psycholog Karl Lashley, który swoje badania prowadził głównie przed drugą wojną światową, zakładał, że pamięć jest umiejscowiona w korze mózgowej. Tresował szczura do wyszukiwania pokarmu, po czym usuwał mu poszczególne fragmenty kory mózgowej, żeby sprawdzić, kiedy pamięć szczura zostanie zaburzona. Nic jednak nie zakłóciło wykonywania zadania: szczur nadal potrafił znaleźć pokarm tam, gdzie się go spodziewał, czyli tam, gdzie został nauczony, że go znajdzie. Lashley wykonał jeszcze szereg innych doświadczeń z równie rozczarowującymi wynikami. W 1950 r. opublikował pracę pod tytułem W poszukiwaniu engramu, w której napisał: „Seria eksperymentów przyniosła wiele danych na temat tego, gdzie nie ma śladu pamięciowego. Czasem myślę, że jedyną konkluzją z wyników tych badań jest, że uczenie się po prostu nie jest możliwe”.
Jaki błąd popełniali badacze?
Szukali nie tego, czego trzeba, choć nie mogli o tym wiedzieć. Aż do czasu, gdy dwa lata po kapitulacji Lashleya kanadyjski neurochirurg Wilder Penfield dokonał jednego z przełomowych odkryć w drodze do wytropienia engramu. Penfield badał mózgi pacjentów z epilepsją. Podrażniał ich korę mózgową – a były to operacje na otwartym mózgu – niewielkimi impulsami elektrycznymi. Jego celem było zlokalizowanie ogniska epileptycznego. Przypadkiem jednak odkrył, że u niektórych pacjentów pobudzenie kory mózgowej płata skroniowego wywoływało żywe wspomnienie bardzo odległych wydarzeń. Ponowne podrażnienie tego samego miejsca dawało ten sam skutek. Wspomnienia te były wyjątkowo szczegółowe, pacjenci odtwarzali detale zdarzeń, o których przed operacją już nie pamiętali. To odkrycie wstrząsnęło światem naukowym. Przede wszystkim Penfield przykrył swoimi badaniami defetyzm Lashleya. Poza tym okazało się, że nasz mózg przechowuje odległe obrazy, na co dzień ukryte – i że można je w sztuczny sposób przywrócić.
Badania Penfielda pomogły ustalić, w jakich obszarach mózgu jest przetwarzana i magazynowana pamięć?
Nie, ale dzięki nim powoli wychodziliśmy z chaosu. W latach 50. doszło do kolejnego incydentu, który znowu popchnął nieco do przodu rozumienie procesów związanych z pamięcią. Po pierwsze, słynny pacjent HM, „gwiazda neurologii”, którego nazwisko odtajniono dopiero w 2009 r., w rok po jego śmierci. Otóż młody Amerykanin Henry Molaison cierpiał na silne bóle głowy i epilepsję, spowodowane prawdopodobnie wypadkiem rowerowym w dzieciństwie. Nie pomagało nic, Molaison nie był w stanie pracować ani w zasadzie normalnie funkcjonować. W 1953 r., w wieku 27 lat poddał się drastycznej operacji usunięcia ogniska epileptycznego. To był ryzykowny eksperyment. Lekarze usunęli mu obustronnie hipokamp oraz po pięć cm przyśrodkowych obydwu płatów skroniowych mózgu. Operacja zakończyła się sukcesem, ale tylko częściowym. Epilepsja i bóle głowy ustąpiły, ale Molaison zapłacił za ten komfort wysoką cenę: stracił zdolność zapamiętywania. Pamiętał główne wydarzenia ze swojego życia przed operacją, zachował inteligencję, umiejętności językowe, zdobytą wiedzę, nadal potrafił grać na gitarze. Jednak wszystko, co się działo w teraźniejszości, zapamiętywał tylko na kilka minut. Potrafił prowadzić rozmowę, ale nie pamiętał, że zjadł przed chwilą obiad. Personelowi szpitala przedstawiał się codziennie na nowo. Potrafił narysować plan swojego domu z dzieciństwa i plan szpitala, w którym był operowany, ale gubił się w drodze do szpitalnej łazienki. Czytał w kółko tę samą gazetę, pił kawę za każdym razem „pierwszy raz w życiu”. W takim stanie Molaison przeżył do 82 roku życia. Do końca sądził, że ma tylko 27 lat, zdolność zapamiętywania bieżących zdarzeń nigdy mu nie wróciła. Chętnie natomiast współpracował z badaczami, a w końcu zapisał swój mózg nauce. Po jego śmierci badacze pocięli go na 2034 plasterki, które dostępne są dla kolejnych poszukiwaczy prawdy o tym, jak wygląda ludzka pamięć. A my przekonaliśmy się, że najważniejszą – choć nie jedyną – częścią mózgu, w której przetwarzamy i magazynujemy pamięć, jest hipokamp.
Słynny brytyjski tenor i były dyrygent orkiestry BBC Clive Wearing, też od kilkudziesięciu lat pije kawę codziennie „po raz pierwszy w życiu”. Też cierpi na amnezję następczą jak Molaison?
Clive Wearing ma amnezję następczą i amnezję wsteczną. To znaczy, że nie ma zdolności zapamiętywania nowych zdarzeń, ale stracił również swoje wspomnienia. Wirus opryszczki zniszczył jego mózg, a konkretnie hipokamp w połowie lat 80. Wearing był już w dojrzałym wieku i znajdował się wówczas u szczytu swojej kariery. Od tamtej pory przeżywa nieustanny horror teraźniejszości. Codziennie na nowo poznaje swoją żonę, choć – co bardzo interesujące – ciągle bardzo ją kocha. Potrafi nadal dyrygować, choć po fakcie deklaruje, że wcale tego nie robił i że tego nie umie. Terapeuci zaproponowali mu prowadzenie dziennika, żeby lepiej się odnalazł w rzeczywistości, ale zapiski wyglądały w ten sposób: „Godz. 8.31, jestem zupełnie obudzony. Godz. 9.06, teraz jestem całkowicie, w pełni obudzony. Godz. 9.34, jestem w najwyższym stopniu obudzony…” itd.
Oba te przykłady pokazują, jak bardzo komplikuje się życie, a raczej – jak życie zamiera, kiedy traci się zdolność zapamiętywania. Utrata pamięci depersonifikuje, odbiera człowiekowi jego „ja”. Okazuje się, że można stracić nerkę, nogę, pół wątroby, można mieć wszczepione cudze serce, ale człowiek nadal pozostaje sobą. Kiedy straci pamięć i historię swojego życia, straci swoją tożsamość. Pamięć jest niesłychanie ważną funkcją mózgu.
Jak pojemny jest ludzki mózg?
Praktycznie nieograniczony – według ostatnich wyliczeń ma pojemność około 2,5 TB. Naprawdę nie ma się o co martwić. Wszystko zmieści się w głowie, jeśli tylko rozsądnie to upchamy, bo jednak mózg się czasem może zatkać. Słynny mnemonista Sołomon Szerieszewski po latach eksploatowania fenomenalnej pamięci cierpiał z powodu natłoku wspomnień gromadzonych od dzieciństwa. Pamiętał zbyt dużo, miał kłopoty z zapominaniem niepotrzebnych informacji. Zdarzało mu się nie rozpoznać bliskiej osoby przez telefon, bo zbyt dobrze pamiętał jej głos z przeszłości, a ten różnił się od teraźniejszego. Jest mnóstwo metod poprawiania pamięci, które ponoć przynoszą efekty. Przeprowadzono badania rezonansem, jak zachowuje się mózg po takim treningu: widać było, że neurony się przeorganizowują i tworzą nowe połączenia. Tylko czy to są metody dla zwykłego człowieka? Być może musiałby on ciągle trenować pamięć, żeby efekty były spektakularne.
Wróćmy do engramu – w jaki sposób pamięć jest przechowywana w mózgu?
Aktualnie uważamy, że w mózgu tworzy się zespół neuronów odpowiedzialnych za dane wspomnienie. Pod wpływem dostarczonego bodźca, czyli np. przeżytego doświadczenia, przeczytanej książki, poznanego człowieka, zapachu, dotyku czy muzyki, neurony, które były silnie pobudzone podczas doznawania takiego zdarzenia, tworzą związany z nim obwód neuronalny. Dzięki nowoczesnym metodom obrazowania mózgu i biotechnologicznym możemy to po prostu oglądać. Stało się to możliwe za sprawą rozwoju metod, takich jak fMRI (funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego – przyp. red.) i PET (pozytonowa tomografia emisyjna – przyp. red.), a także dzięki odkryciu dokonanemu przez amerykańskich chemików Shimomury, Chalfiego i Tsiena, za które w 2008 r. dostali Nagrodę Nobla: chodzi o białko meduzy o właściwościach fluorescencyjnych.
To świecące białko stało się jednym z podstawowych narzędzi badań w neurobiologii, używa się je do znakowania i śledzenia komórek. To pozwala przyglądać się dokładnie procesom, które zachodzą w ich wnętrzu. Powiązanie, przy pomocy sztuczek biotechnologicznych, ekspresji tego białka z aktywacją pewnego genu, który działa wtedy kiedy neuron tworzy obwód pamięciowy, pozwala zobaczyć świecące komórki engramu. Co więcej, wiadomo na pewno, że to jest ślad pamięciowy, że złapano engram, bo można sztucznie, z zewnątrz, te świecące neurony pobudzić lub wyhamować, a wtedy mysz zachowuje się tak, jak gdyby pamiętała lub jak gdyby zapomniała.
Widzimy więc reakcje sieci neuronalnych, które zachodzą w odpowiedzi na bodźce dotyczące pamięci w okolicach kory przedczołowej, jak również w hipokampie, ciele migdałowatym, płacie skroniowym i nawet w móżdżku. Wiadomo, że główne znaczenie mają dwa płaty: czołowy, jeśli chodzi o pamięć krótkotrwałą i przetwarzanie informacji; przyśrodkowy płat skroniowy, do którego należy hipokamp, przy zapamiętywaniu, i reszta płata skroniowego, gdy mówimy o pamięci długotrwałej, organizacji i magazynowaniu informacji.
Jak działa sieć neuronalna?
Odkryte w latach 70. zjawisko długotrwałego wzmocnienia synaptycznego mówi, że gdy się intensywnie pobudza neuron, to zwiększa się odpowiedź złączonego z nim, następnego neuronu. Coś się zmienia w synapsie, czyli łączu między jednym a drugim neuronem – i wiadomo już, co to jest. Wynik jest pewny i powtarzalny, co nie jest przecież takie częste w biologii i medycynie. Otóż chodzi o tzw. plastyczność synaptyczną. Odkryto mianowicie, że neuron ma zapas receptorów neuroprzekaźników, które może uruchomić przy wzmocnieniu sygnału. Jeśli na skutek jakiegoś bodźca – silnego przeżycia, istotnej informacji – powstaje długotrwałe wzmocnienie synaptyczne, to te zapasowe receptory wbudowują się w błonę synapsy, wobec czego komórka silniej reaguje na nadchodzące do niej sygnały. Kiedy jest bardziej pobudzona, może pobudzić następny neuron w łańcuchu pobudzeń, co szybko powoduje zmiany morfologii neuronów. To znaczy, że te pobudzone synapsy robią się większe a nawet powstają nowe synapsy. A kiedy jest więcej kontaktów synaptycznych oraz silniejsze i większe synapsy, przeciera się droga nerwowa…
Czyli dosłownie puchnie nam mózg?
Można i tak powiedzieć. Co mi przypomniało bardzo interesujące badania, które prowadzi jedno z laboratoriów w Kalifornii pod kierunkiem prof. psychologii Jacka Gallanta. Otóż naukowcy obserwują przy pomocy funkcjonalnego rezonansu magnetycznego fMRI osoby poddawane temu samemu doświadczeniu: słuchają kilkakrotnie tego samego tekstu audycji radiowej. Badacze analizują mapę aktywacji mózgu, czyli które miejsce w mózgu badanych odpowiada na jaką kategorię słów, a nawet na konkretne słowa. I proszę sobie wyobrazić, co odkryli?
Odkryli, że ludzie mają taki sam schemat mózgu?
Że te same kategorie i te same słowa aktywują u różnych ludzi dokładnie te same miejsca w mózgu. Badacze przeprowadzili kolejne doświadczenie: badani nie słuchali, ale czytali tę samą treść. I znowu ich mapy wyszły niemal identyczne! To znaczy, że niezależnie od tego, czy usłyszymy „piesek”, czy przeczytamy „piesek”, wyrysowuje się w naszym mózgu ten sam ślad pamięci.
To znaczy, że będziemy umieli czytać w ludzkich myślach?
Teoretycznie już to potrafimy. Na razie bardzo proste myśli, ale sztuczna inteligencja szybko się uczy. Ale przeprowadzić czytanie w myślach na dużą skalę? Wątpię. To byłoby zbyt trudne i zbyt kosztowne.
Małgorzata Kossut:
Profesor nauk przyrodniczych Instytutu Biologii Doświadczalnej im. Marcelego Nenckiego PAN. Specjalizuje się w plastyczności układu nerwowego oraz neuronalnych mechanizmach uczenia się i pamięci.
Czytaj również:
