На пути к когнитивно реалистичным моделям памяти.

На пути к нейроморфному интеллекту:
эксперименты, модели и технологии”
Школа посвящена одному из наиболее ярких направлений в
современной нейронауке: разработке моделей, методов и
технологий нейроморфных систем, имитирующих морфологию и
функциональную активность сетей мозга от уровня молекулярноклеточной сигнализации до формирования высших когнитивных
функций – памяти, сознания, интеллекта.
Две главные проблемы, которые предстоит
решить науке в следующие 25 лет*:
* Oпрос ученых - авторов журнала Science в связи с его 125-летием
(Science, VOL 309, 1 July 2005)
Требования к естественнонаучной
теории сознания
• Должна адекватно решать
психофизиологическую проблему;
• Должна объяснять эволюционную
адаптивность сознания;
• Должна объяснять каузальность
психических процессов;
• Должна объяснять субъективные
состояния ("квалии");
• Должна служить "концептуальным
мостом" между изучением
психических и биологических
феноменов.
На пути к
нейроморфному
интеллекту
Мы здесь
Биологические основы
сознания и памяти
• Две наиболее интригующие проблемы работы мозга
это механизмы сознания и памяти
• Больше всего нас интересует сознание
• Но память исследовать гораздо проще
Предложение: подход к механизмам
сознания через механизмы памяти
• Две наиболее интригующие проблемы работы мозга
это механизмы сознания и памяти
• Больше всего нас интересует сознание
• Но память исследовать гораздо проще
• Есть основания полагать, что сознание и память тесно
связаны друг с другом
Следствие: Если глубоко понять эту связь, то может
появиться возможность перенести преимущества
экспериментальных исследований механизмов памяти
на исследования механизмов сознания
"Какие материальные события
связаны с сознанием или сопутствуют
ему, а какие нет?"
"Свою общую гипотезу я подытожу
следующим образом: сознание связано
с обучением живой субстанции."
Возможности экспериментальных
исследований механизмов памяти и сознания
Сознание
Память
Сознание, по определению, субъективно.
Его чрезвычайно сложно выявлять и
исследовать на животных.
Память можно успешно выявлять,
моделировать и изучать у организмов
разных таксономических групп.
Изучение нервных основ сознания сегодня
ограничено исследованиями систем
нейронов или структур мозга. Оно очень
редко опускается до анализа на клеточном
уровне и практически никогда - на
молекулярном.
Проблема механизмов памяти имеет
содержательный вес в области клеточных и
молекулярных механизмов. Она
исследуется всем арсеналом методов
клеточной и молекулярной биологии.
Сознание с точки зрения нейробиологии это процесс. Его механизмы можно
исследовать только нейродинамически,
пока процесс присутствует.
Память - это не только процесс, но и и его
результат. Поэтому память можно также
исследовать по оставляемым ею
структурным следам.
Исследования нейробиологии сознания
имеют пока небольшую историю и
ограниченный эмпирический базис.
Нейробиология памяти за десятилетия
своего существования накопила огромный
фактический материал, который может
служить задаче построения развернутой
теории.
Возможности экспериментальных
исследований механизмов памяти и сознания
Сознание
Память
Моделирование сознания на
животных
Память можно успешно выявлять,
моделировать и изучать у организмов
разных таксономических групп.
Исследование клеточных механизмов Проблема механизмов памяти имеет
содержательный вес в области клеточных и
сознания
молекулярных механизмов. Она
исследуется всем арсеналом методов
клеточной и молекулярной биологии.
Исследование "следов сознания" в
мозге
Память - это не только процесс, но и и его
результат. Поэтому память можно также
исследовать по оставляемым ею
структурным следам.
Построение и эмпирическая проверка Нейробиология памяти за десятилетия
нейробиологической теории сознания своего существования накопила огромный
фактический материал, который может
служить задаче построения развернутой
теории.
На пути к
когнитивно
реалистичным
моделям памяти
Мы здесь
На пути к
когнитивно
реалистичным
моделям памяти
Как далеко мы помним актуальные
исследования в нашей науке?
Никто не может понять
историю без постоянного
обращения к тем долгим
периодам, которые
постоянно упоминаются в
сравнении с опытом
наших коротких жизней.
Пять лет – это много.
Двадцать лет – горизонт
… Пятьдесят лет –
древность.
Уинстон Черчилль
«История англоязычных
народов»
Забытые пионеры науки о памяти
•
•
•
•
•
Ричард Семон
1859 - 1918
Энграмма
Экфория
Рединтеграция
Гомофонии
Мнемы
Нейробиология памяти:
классическая модель
"При всяком действии, вызванном нервным
флюидом, происходит перемещение этого
флюида. Когда это действие многократно
повторяется, то флюид, обуславливающий
его, прокладывает себе путь, прохождение
которого делается с течением времени для
него тем более легким, чем чаще он им
пользуется и чем сильнее выражена
склонность флюида следовать именно по
этому привычному пути, а не по какому-либо
иному, по которому он не столь часто
движется."
Ж.Б.Ламарк Философия зоологии (1809)
Нейробиология памяти:
классическая модель
"Вероятно, каждое отображение
чего-либо в мозгу сразу же
вызывает функциональную
гипертрофию протоплазматических выростов и
аксонов; молекулярные вибрации
усиливаются и распространяются,
изменяя форму дендритов… При
этом на смену первичным
кратковременным связям между
нейронами в конце концов
приходят стабильные
функциональные объединения
клеток."
E. Tanzi (1893)
Биология памяти - радикальная
редукционистская программа ХХ века
конец
XIX
века
Философия
Наука о памяти
Психология
Экспериментальная
психология памяти
Нейронаука
Психопатология
памяти
Молекулярная
биология
Неврология
памяти
"Наука о памяти… возникла, чтобы
секуляризовать душу эту неподатливую сердцевину Западной
мысли и практики."
Г. Эббингауз
Ian Hacking "Rewriting the Soul" (1995)
Т. Рибо
С.С.Корсаков
Память и мозг:
декомпозиция проблемы
Формирование
Хранение
Воспроизведение
Три основных вопроса науки о памяти:
 Как память формируется в мозге?
 Как память хранится в мозге на
протяжение многих лет?
 Как память избирательно извлекается,
когда это необходимо?
Исходная молекулярная модель
консолидации памяти
Обучение
Нейромодулятор
Сохранность
памяти (%)
Всплеск экспрессии генов
Долговременная
память
Время (часы)
? ?
?
Byrne et al., 1988
Ионные
каналы
1. Обучение приводит к синтезу РНК и белка в нервных клетках.
2. Данный процесс универсален и имеет "критическое" окно,
• Какие гены вовлечены в формирование памяти?
ограниченное 1-2 часами после обучения.
активируются
синаптическими
сигналами?
3. • Как
Послеони
его завершения
память
переходит в стабильную,
форму.
• консолидированную
Каковы их функции
в формировании памяти?
Какие гены отвечают за фиксацию
памяти в клетках мозга?
Развитие мозга до рождения
Обучение во взрослом мозге
мРНК c-fos
мозг
Развитие и
обучение:
контроль
с-fos
обучение
с-fos
сердце
печень
с-fos mRNA
гипотеза
сходства
молекулярных
механизмов
От "ранних" генов к "поздним"
ОБУЧЕНИЕ
"Ранние" гены c-fos и с-jun кодируют транскрипционные
факторы, регулирующие экспрессию других генов
Мембрана Цитоплазма
Ядро
Для формирования памяти необходима
экспрессия и "ранних" и "поздних" генов
У ингибиторов синтеза белка существует
два временных "окна" амнестического эффекта
Количество ошибок
6
*
5
***
** ***
***
4
Контроль
Анизомицин
**
3
2
1
0
-2
0
2
4
6
8
10
12
Время введения ингибитора (часы) относительно момента обучения
Новая молекулярная модель
консолидации памяти
Фиксация памяти определяется универсальным клеточным
механизмом двухэтапной активации "ранних" и "поздних" генов
Первая волна
белкового синтеза
100
80
Вторая волна
белкового синтеза
60
40
Долговременная
память
20


0
часы
3

Экспрессия
Обучение ранних генов
6
Экспрессия
поздних генов
9
12
Долговременная память
Как происходит активация этих
генов при обучении?
Обучение
Нобелевская премия 2000 г. (Э.Кэндел, США): за раскрытие механизмов
передачи сигналов от мембраны к ядру нейрона при формировании памяти
Экспрессия "ранних генов" может служить для
выявления структурных следов памяти в мозге
Immediate early genes
expression in the brain:
Is induced during learning
Occurs in neurons
Is distributed over various
brain areas and circuits
Depends on NMDA-R activity
Is rapid (mRNA in minutes)
Is followed by changes in late gene
expression
Is required for consolidation of
long-term memory
Экспрессия "ранних генов" может служить для
выявления структурных следов памяти в мозге
белок с-Fos
белок с-Fos
мРНК с-Fos
К.В.Анохин. Генные зонды для картирования нервных сетей при обучении.
"Принципы и механизмы деятельности мозга человека". Л. Наука, 1989
Реконсолидация
памяти
Первое неожиданное открытие:
реактивация генов при извлечении памяти
Обучение
Экспрессия c-Fos в гиппокампе
Контроль
Извлечение
памяти
Извлечение
памяти
Avoidance (%)
В момент извлечения старая память
вновь может быть нарушена
Цыплята
(Литвин,
Анохин,
1998)
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
ПАССИВНОЕ
ИЗБЕГАНИЕ
*
*
CXM R CXM+R
24 hours
14 days
Мыши
(Muravieva
& Anokhin,
2005)
Training
Reactivation
Testing
Freezing time (%)
УСЛОВНЫЙ
РЕФЛЕКС
ЗАМИРАНИЯ
70
60
50
40
30
20
*
10
0
CXM R CXM+R
"Реконсолидация памяти"
Published online 9 December 2009 | Nature |
Litvin, O.O. & Anokhin, K.V.
(1998) Mechanisms of
memory reconsolidation during
retrieval of memory: the effects
of protein synthesis inhibition
in the brain. Neurosci. Behav.
Physiol., 30, 671-678.
"Reconsolidation"
(PubMed)
70
60
50
40
30
20
10
0
Память может трансформироваться
во время ее извлечения
Данные психологии: при извлечении памяти происходят процессы
ее активной реконструкции
"Я настаивал на протяжении всей
дискуссии в этот книге на том, что
описание воспоминаний как
"фиксированных и безжизненных" есть
всего лишь ошибочная фантазия.
Фредерик Бартлетт
1886-1969
Воспоминание не является повторным
возбуждением неисчислимых
фиксированных фрагментарных следов.
Оно есть всегда творческое воссоздание
или конструирование, складывающееся
из нашего отношения ко всей активной
массе реакций и опыта прошлого."
1932
Репарация
памяти
Второе неожиданное открытие:
Разрушенная память имеет следы в мозге
Гиппокамп
Миндалина
Область СА1
Область СА3
память -
память +
память -
_
память +
память +
*
"Репарация памяти"
Длительность замираний,%
Разрушенную в эксперименте память
можно направленно восстановить
50
1-180сек
50
40
40
30
30
20
20
10
10
0
0
ФР/АК ЦГ/АК ФР
ФР+
Нап
ЦГ
ЦГ+
Нап
180-360сек
*#
*#
*#
*
ФР/АК ЦГ/АК ФР
ФР+
Нап
ЦГ
ЦГ+
Нап
Уровень замирания у мышей через 48 ч после обучения: группы с ненарушенной памятью
(Физраствор и Физраствор+Напоминание), нарушенной памятью (Циклогексимид) и
восстановленной памятью (Циклогексимид+Напоминание). ФР-физраствор, ЦГ-циклогексимид,
АК – активный контроль, Нап - напоминание.
* - р<.05 по сравнению с группами активного контроля, # - р<.05 по сравнению с группой ЦГ.
"Репарация памяти"
Разрушенную в эксперименте память
можно направленно восстановить
90
% избегания
80
70
60
Контроль
СХМ
CXM/Нап
50
40
30
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
24
Интервал между напоминанием и тестом (часы)
Восстановление памяти под влиянием процедур "напоминания" происходит
в течение нескольких часов. Этот процесс основан на активации синтеза
белков в нервной системе
Нарушенная память
может восстанавливаться
"Чаще всего амнезии
обусловливаются не потерей
способности фиксации, а потерей
способности к воспроизведению
фиксированного.
Оказывается, что хотя больной и
решительно не может вспомнить того,
что только что случилось, но след от
этого остается в психике больного и
через несколько времени, может быть
через год, вдруг неожиданно
всплывает в сознании."
1889
Сергей Сергеевич
Корсаков
1854-1900
Фундаментальные свойства
памяти после ее образования
 Реконсолидация памяти: Каждое извлечение памяти - это процесс активной
реконструкции системы нейронов, никогда в точности не повторяющий
первоначальное событие. После такого вариативного извлечения, измененная
система нейронов претерпевает реконсолидацию. В результате, для одного и того
же физического или психического акта в памяти образуются множественные
копии;
 Репарация памяти: Вариабельность элементов в «фенокопиях» следа памяти
и различие их связей с элементами других систем обуславливает богатую
ассоциативность биологической памяти. Описанное свойство вырожденности
дает высокую стабильность биологической памяти и ее способность к спонтанной
и индуцированной репарации.
 Реорганизация памяти: Память, образующаяся после единичных физических
или психических актов, не сохраняется в мозге в неизменном виде. Она
претерпевает трансформацию, основанную на повторных реактивациях ее следов.
В ходе этого нервные субстраты памяти и ее содержания существенно
изменяются. Этот процесс «созревания памяти», как и созревание
функциональных систем мозга в развитии, часто не выходит на уровень осознания
и может протекать во сне.
Некоторые свойства биологической
памяти (I)
Память в биологических нервных сетях:
 Нерепрезентативна - она не является точным нервным отражением
событий внешнего мира.
 Реконструктивна - ее воспроизведение является активным нервным
процессом самосборки системы опосредующих ее нейронов.
 Нерепликативна - каждое ее следующее воспроизведение отличается
от предыдущего, вовлекая перекрывающуюся, но отличающуюся
популяцию синапсов и нейронов.
 Рекатегориальна - каждая ее новая реконструкция при
воспроизведении проходит оценку идентичности на весах других,
связанных с ней функциональных систем.
 Реконсолидируема - каждая новая вариативная реконструкция
подвергается реконсолидации - запоминанию, сходному по своим
клеточным механизмам с механизмами исходного запоминания
(консолидации) этой системы.
Некоторые свойства биологической
памяти (II)
Поэтому память в биологических нервных сетях обладает свойствами:
 вырожденности - одно и тоже событие хранится в виде
множественных неидентичных копий функциональной системы,
 автоассоциативности - разные фенокопии одной и той же
функциональной системы имеют связи с разнообразными другими
функциональными системами за счет вырожденности состава
входящих в эти копии нейронов,
 рединтегративности – целая система может быть извлечена из памяти
по возбуждение небольшой части ее элементов,
 репаративности - способности к восстановлению конечной системы
при повреждении части из ее элементов или даже части из ее копий.
Забытые пионеры науки о памяти
•
•
•
•
•
Ричард Семон
1859 - 1918
Энграмма
Экфория
Рединтеграция
Гомофонии
Мнемы
Если вы хотите быть эффективными
в современной науке, никогда не
поступайте так, как сказано в
следующем слайде…
Рецепты быстрого неуспеха в современной науке
Я не возражаю против того, чтобы вы
думали медленно: я против того, чтобы вы
публиковали быстрее, чем вы думаете.
В. Паули
Академическое поприще принуждает
молодого человека беспрерывно давать
научную продукцию и лишь сильные
натуры могут при этом противостоять
соблазну поверхностного анализа.
А. Эйнштейн