Digital memory что происходит с памятью в цифровую эпоху
Обновлено: 30.06.2024
Появление в скором будущем задач, требующих очень большой вычислительной мощности, заставляет уже сейчас устремиться к поиску новых технических решений не только в плане совершенствования самих процессоров, но и других компонентов ПК. Независимо от того, какая для изготовления процессора используется технология, количество данных, поставляемых им на обработку, определяется возможностями и других подсистем компьютера. Емкости современных устройств массовой памяти отражают эту тенденцию. Диски СD-ROM позволяют хранить до 700МВ информации, развивающаяся технология DVD-ROM — до 17GB. Технология магнитной записи также развивается очень быстро — за последний год типичная емкость жесткого диска в настольных компьютерах возросла до 15-20 GB и более. Однако в будущем компьютерам придется обрабатывать сотни гигабайт и даже терабайты информации — гораздо больше, чем может вместить любой из существующих сегодня CD-ROM-ов или жестких дисков. Обслуживание таких объемов данных и перемещение их для обработки сверхбыстрыми процессорами требуют радикально новых подходов при создании устройств хранения информации.
Голографическая память
Широкие перспективы в этом плане открывает технология оптической записи, известная как голография: она позволяет обеспечить очень высокую плотность записи при сохранении максимальной скорости доступа к данным. Это достигается за счет того, что голографический образ (голограмма) кодируется в один большой блок данных, который записывается всего за одно обращение. А когда происходит чтение, этот блок целиком извлекается из памяти. Для чтения или записи блоков голографически хранимых на светочувствительном материале (за основной материал принят ниобат лития, LiNbO3) данных ("страниц") используются лазеры. Теоретически, тысячи таких цифровых страниц, каждая из которых содержит до миллиона бит, можно поместить в устройство размером с кусочек сахара. Причем теоретически ожидается плотность данных в 1TБ на кубический сантиметр (TB/sm3). Практически же исследователи ожидают достижения плотности порядка 10GB/sm3, что тоже весьма впечатляет, если сравнивать с используемым сегодня магнитным способом — порядка нескольких MB/sm2 — это без учета самого механизма устройства. При такой плотности записи оптический слой, имеющий толщину около 1cm, позволит хранить около 1ТВ данных. А если учесть, что такая запоминающая система не имеет движущихся частей, и доступ к страницам данных осуществляется параллельно, можно ожидать, что устройство будет характеризоваться плотностью в 1GB/sm3 и даже выше.
Необычайные возможности топографической памяти заинтересовали ученых многих университетов и промышленных исследовательских лабораторий. Этот интерес уже довольно давно вылился в две научно-исследовательские программы. Одна из них — программа PRISM (Photorefractive Information Storage Material), целью которой является поиск подходящих светочувствительных материалов для хранения голограмм и исследование их запоминающих свойств. Вторая научно-исследовательская программа — HDSS (Holographic Data Storage System). Так же, как и PRISM, она предусматривает ряд фундаментальных исследований, и ее участниками являются те же компании. В то время как целью PRISM является поиск подходящих сред для хранения голограмм, HDSS ориентирована на разработку аппаратных средств, необходимых для практической реализации голографических запоминающих систем.
Как же функционирует система голографической памяти? Рассмотрим для этого установку, собранную исследовательской группой из Almaden Research Center.
На начальном этапе в этом устройстве происходит разделение луча сине-зеленого аргонового лазера на две составляющие — опорный и предметный лучи (последний является носителем самих данных). Предметный луч подвергается расфокусировке, чтобы он мог полностью освещать пространственный световой модулятор (SLM — Spatial Light Modulator), который представляет собой просто жидкокристаллическую (LCD) панель, на которой страница данных отображается в виде матрицы, состоящей из светлых и темных пикселей (двоичные данные).
Оба луча направляются внутрь светочувствительного кристалла, где и происходит их взаимодействие. В результате этого взаимодействия образуется интерференционная картина, которая и является основой голограммы и запоминается в виде набора вариаций показателя преломления или коэффициента отражения внутри этого кристалла. При чтении данных кристалл освещается опорным лучом, который, взаимодействуя с хранимой в кристалле интерференционной картиной, воспроизводит записанную страницу в виде образа "шахматной доски" из светлых и темных пикселей (голограмма преобразует опорную волну в копию предметной). Затем этот образ направляется в матричный детектор, основой для которого служит прибор с зарядовой связью (CCD — Charge-Coupled Device или ПЗС), захватывающее всю страницу данных. При чтении данных опорный луч должен падать на кристалл под тем же самым углом, при котором производилась запись этих данных, и допускается изменение этого угла не более чем на градус. Это позволяет получить высокую плотность данных: изменяя угол опорного луча или его частоту, можно записать дополнительные страницы данных в том же самом кристалле.
Однако дополнительные голограммы изменяют свойства материала (а таких изменений может быть только фиксированное количество), в результате образы голограмм становятся тусклыми, что может привести к искажению данных при чтении. Этим и объясняется ограничение объема реальной памяти, которой обладает материал. Динамическая область среды определяется количеством страниц, которые она может реально вмещать, поэтому участники PRISM и занимаются исследованием ограничений на светочувствительность материалов.
Используемая в трехмерной голографии процедура заключения нескольких страниц с данными в один и тот же объем называется мультиплексированием. Традиционно используются следующие методы мультиплексирования: по углу падения опорного пучка, по длине волны и по фазе, но, к сожалению, они требуют сложных оптических систем и толстых (толщиной в несколько миллиметров) носителей, что делает их непригодными для коммерческого применения, по крайней мере, в сфере обработки информации. Однако совсем недавно Bell Labs были изобретены три новых метода мультиплексирования: сдвиговое, апертурное и корреляционное, основанные на использовании изменения положения носителя относительно световых пучков. При этом сдвиговое и апертурное мультиплексирование используют сферический опорный пучок, а корреляционное — пучок еще более сложной формы. Кроме того, поскольку при корреляционном и сдвиговом мультиплексировании задействованы механические движущиеся элементы, время доступа при их применении будет примерно таким же, как и у обычных оптических дисков. Bell Labs удалось построить экспериментальный носитель на основе все того же ниобата лития, использующий технику корреляционного мультиплексирования, однако уже с плотностью записи около 226GB на квадратный дюйм.
Другой сложностью, возникшей на пути создания устройств голографической памяти, стал поиск подходящего материала для носителя. Большинство исследований в области голографии проводились с использованием фотореактивных материалов (главным образом, упоминавшегося выше ниобата лития), однако если они годятся для записи голографических изображений ювелирных украшений, то этого никак нельзя сказать в отношении записи информации, да еще в коммерческих устройствах: они дороги, имеют слабую чувствительность и ограниченный динамический диапазон (частотная полоса пропускания). Поэтому был разработан новый класс фотополимерных материалов, обладающих неплохими перспективами с точки зрения коммерческого применения. Фотополимеры представляют собой вещества, в которых под действием света происходят необратимые изменения, выражающиеся во флуктуациях состава и плотности. Созданные материалы имеют более продолжительный жизненный цикл (в плане хранения записанной на них информации) и устойчивы к воздействию температур, а также отличаются улучшенными оптическими характеристиками, в общем, подходят для однократной записи данных (WORM).
Ну и, наконец, еще одна проблема — сложность используемой оптической системы. Так, для голографической памяти не годятся светодиоды на базе полупроводниковых лазеров, применяемые в традиционных оптических устройствах, поскольку они обладают недостаточной мощностью, дают пучок с высокой расходимостью и, наконец, полупроводниковый лазер, генерируемый излучение в среднем диапазоне видимой области спектра, получить очень сложно. Здесь же необходим мощный лазер, дающий как можно более параллельный пучок. То же самое можно сказать и о пространственных световых модуляторах: до недавнего времени не было ни одного подобного устройства, которое можно было бы применять в системах голографической памяти. Однако времена меняются, и сегодня уже стали доступными недорогие твердотельные лазеры, появилась микроэлектромеханическая технология (MEM — Micro-Electrical Mechanical, устройства на ее основе представляют собой массивы микрозеркал размером порядка 17 микрон), как нельзя лучше подходящая на роль SLM.
Так как интерференционные шаблоны однородно заполняют весь материал, это наделяет голографическую память другим полезным свойством — высокой достоверностью записанной информации. В то время как дефект на поверхности магнитного диска или магнитной ленты разрушает важные данные, дефект в голографической среде не приводит к потере информации, а вызывает всего лишь "потускнение" голограммы. Небольшие настольные HDSS-устройства должны появиться к 2003 году. Поскольку аппаратура HDSS для изменения угла наклона луча использует акусто-оптический дефлектор (кристалл, свойства которого изменяются при прохождении через него звуковой волны), то по общим оценкам, время извлечения смежных страниц данных составит менее 10ms. Любое традиционное оптическое или магнитное устройство памяти нуждается в специальных механических средствах для доступа к данным на различных дорожках, и время этого доступа составляет несколько миллисекунд.
Пожалуй, ошибочно рассматривать устройства голографической памяти как радикально новую технологию, ибо ее основные концепции разработаны около 30 лет назад. Если что и изменилось, так это доступность ключевых компонентов для этой технологии — цены на них стали значительно ниже. Так, полупроводниковый лазер уже не является чем-то диковинным, а давным-давно уже стал стандартом. С другой стороны, SLM — это результат той же технологии, которая применяется при изготовлении LCD-экранов для ПК-блокнотов и калькуляторов, а детекторная матрица CCD позаимствована прямо из цифровой видеокамеры.
Итак, преимуществ у новой технологии более чем достаточно: кроме того, что информация сохраняется и считывается параллельно, можно достичь очень высокой скорости передачи данных и, в отдельных случаях, высокой скорости произвольного доступа. А самое главное — практически отсутствуют механические компоненты, свойственные нынешним хранителям информации (например, шпиндели с гигантским числом оборотов). Это гарантирует не только быстрый доступ (для данной технологии правильней сказать мгновенный) к данным, меньшую вероятность сбоев, но и более низкое потребление электроэнергии, поскольку сегодня жесткий диск — один из наиболее энергоемких компонентов компьютера. Правда, есть трудности с юстировкой оптики, поэтому на первых порах данные устройства, вероятно, будут все еще "бояться" сторонних "механических воздействий".
Молекулярная память
Другой радикально иной подход в создании устройств хранения данных — молекулярный. Группа исследователей центра "W.M. Keck Center for Molecular Electronic" под руководством профессора Роберта Р. Бирга (Robert R. Birge) уже относительно давно получила прототип подсистемы памяти, использующей для запоминания цифровые биты молекулы. Это — молекулы протеина, который называется бактериородопсин (bacteriorhodopsin). Он имеет пурпурный цвет, поглощает свет и присутствует в мембране микроорганизма, называемого halobacterium halobium. Этот микроорганизм "проживает" в соляных болотах, где температура может достигать +150 °С. Когда уровень содержания кислорода в окружающей среде настолько низок, что для получения энергии невозможно использовать дыхание (окисление), он для фотосинтеза использует протеин.
Бактериородопсин был выбрал потому, что фотоцикл (последовательность структурных изменений, которые молекула претерпевает при реакции со светом) делает эту молекулу идеальным логическим запоминающим элементом типа "&" или типа переключателя из одного состояния в другое (триггер). Как показали исследования Бирга, bR-состояние (логическое значение бита "0") и Q-состояние (логическое значение бита "1") являются промежуточными состояниями молекулы и могут оставаться стабильными в течение многих лет. Это свойство, в частности, обеспечивающее удивительную стабильность протеина, и было приобретено эволюционным путем в борьбе за выживание в суровых условиях соляных болот.
По оценкам Бирга, данные, записанные на бактериородопсинном запоминающем устройстве, должны сохраняться приблизительно пять лет. Другой важной особенностью бактериородопсина является то, что эти два состояния имеют заметно отличающиеся спектры поглощения. Это позволяет легко определить текущее состояние молекулы с помощью лазера, настроенного на соответствующую частоту.
Был построен прототип системы памяти, в котором бактсриородопсин запоминает данные в трехмерной матрице. Такая матрица представляет собой кювету (прозрачный сосуд), заполненную полиакридным гелем, в который помещен протеин. Кювета имеет продолговатую форму размером 1x1x2 дюйма. Протеин, который находится в bR-состоянии, фиксируется в пространстве при полимеризации геля. Кювету окружают батарея лазеров и детекторная матрица, построенная на базе прибора, использующего принцип зарядовой инжекции (CID — Charge Injection Device), которые служат для записи и чтения данных.
При записи данных сначала надо зажечь желтый "страничный" лазер — для перевода молекул в Q-состояние. Пространственный световой модулятор (SLM), который, как говорилось ранее, представляет собой LCD-матрицу, создающую маску на пути луча, вызывает возникновение активной (возбужденной) плоскости в материале внутри кюветы. Эта энергоактивная плоскость представляет собой страницу данных, которая может вмешать массив 4096x4096 bit. Перед возвратом протеина в состояние покоя (в нем он может находиться довольно длительное время, сохраняя информацию) зажигается красный, записывающий лазер, располагаемый под прямым углом по отношению к желтому. Другой SLM отображает двоичные данные и, таким образом, создает на пути луча соответствующую маску, поэтому облучению подвергнутся только определенные пятна (точки) страницы. Молекулы в этих местах перейдут в Q-состояние и будут представлять двоичную единицу. Оставшаяся часть страницы возвратится в первоначальное bR-состояние и будет представлять двоичные нули. Для того, чтобы прочитать данные, надо опять зажечь страничный лазер, который переводит читаемую страницу в Q-состояние. Это делается для того, чтобы в дальнейшем, с помощью различия в спектрах поглощения, идентифицировать двоичные нули и единицы. Через 2ms после этого страница "окунается" в низкоинтенсивный световой поток красного лазера. Низкая интенсивность нужна для того, чтобы предупредить "перепрыгивание" молекул в Q-состояние. Молекулы, представляющие двоичный нуль, поглощают красный свет, а представляющие двоичную единицу пропускают луч мимо себя. Это создает "шахматный" рисунок из светлых и темных пятен на LCD-матрице, которая захватывает страницу цифровой информации.
Учитывая, что молекула меняет свои состояния в пределах 1ms, суммарное время для выполнения операции чтения или записи составляет около 10ms. Однако, по аналогии с системой голографической памяти, это устройство осуществляет параллельный доступ в цикле чтения-записи, что позволяет рассчитывать на скорость до 10MBps. Предполагается, что если объединить по восемь запоминающих битовых ячеек в байт с параллельным доступом, то можно достигнуть скорости 80MBps, но для такого способа необходима соответствующая схемотехническая реализация подсистемы памяти. Некоторые версии устройств SLM выполняют страничную адресацию, которая в недорогих конструкциях используется при направлении луча на нужную страницу с помощью поворотной системы гальванических зеркал. Такой SLM обеспечивает доступ за 1ms, но и стоит соответственно в четыре раза дороже.
Сможет ли молекулярная память конкурировать с традиционной полупроводниковой памятью? Ее конструкция, безусловно, имеет определенные преимущества. Во-первых, она основана на протеине, который производится в большом количестве и по недорогой цене, чему способствуют достижения генной инженерии. Во-вторых, система может функционировать в более широком диапазоне температур, чем полупроводниковая память. В-третьих, данные сохраняются постоянно — даже если выключить питание системы памяти, это не приведет к потере информации. И, наконец, кубики с данными, имеющие маленькие размеры, но содержащие гигабайты информации, можно помещать в архив для хранения копий (как магнитные ленты). Так как кубики не содержат движущихся частей, это удобнее, чем использование портативных жестких дисков или картриджей с магнитной лентой.
кандидат культурологии, доцент и руководитель магистерской программы «Медиаменеджмент» в МВШСЭН, доцент Института общественных наук РАНХиГС, академический директор Научного бюро цифровых гуманитарных исследований CultLook
Digital Memory Studies — молодое направление социогуманитарного знания, которое ставит вопросы о том, как привычный для человека мир памяти трансформируется в условиях развития новой цифровой среды обитания. Меняются ли техники запоминания в связи с появлением мобильных устройств, которые позволяют быстро фиксировать действительность? Помним ли мы больше и лучше потому, что наши задокументированные воспоминания всегда с нами — например, в формате альбомов с цифровыми фотографиями в мобильных телефонах? Вроде бы ответ очевиден: количество пользователей мобильных устройств в мире растет, и число обладателей телефонов с выходом в интернет также увеличивается. «Население» трех самых крупных социальных сетей (Facebook, Twitter, Instagram) уже превышает количество жителей Китая. Сейчас человечество формирует огромное количество свидетельств о происходящем, и этот фонд пополняется точками зрения самых разных людей, а не только условных «элит».
Но что если мы, наоборот, забываем помнить, так как слишком доверяем устройствам и софту (например, накопителям данных, облачным хранилищам и фото-/видеосервисам) в вопросах формирования воспоминаний? Не оказывается ли в таком случае наш горизонт памяти ограничен историей собственного инстаграма, фейсбука, блога? Не теряем ли мы какое-то измерение памяти, когда оцифровываем все наши воспоминания или изначально создаем их в цифровом формате? Более того, до сих пор не разрешена проблема цифрового неравенства — ситуации, при которой часть граждан лишена доступа в интернет или не владеет высоким уровнем цифровой грамотности.
Важным направлением исследований в Digital Memory Studies становится изучение влияния информационного шума на формирование индивидуальных и коллективных мемориальных архивов. Ученые ищут ответы на ряд вопросов: например, корректно ли сейчас говорить о памяти как сложном и часто болезненном процессе работы с прошлым, если стремление к обеспечению комфорта пользователя стало ключевым принципом разработчиков цифровой среды?
Многие исследования основаны на гипотезе, которую ученым еще предстоит доказать: результаты цифровой научно-технической революции создали новое инвайронментальное измерение жизни человека. В пользу этой точки зрения говорит то, что уже сегодня множество вполне традиционных антропологических, социальных практик опосредовано опытом работы с устройствами и ПО. Все более частотное внедрение в жизнь 3D-печати, имплантируемых устройств, «носимого» интернета влияет на нашу повседневность. Может показаться, что перечисленные технологии представляют интерес только для гиков, но почти все знакомы с сервисами онлайн-коммуникации (блогами, соцсетями, почтовыми агентами), и это доказывает, что пользовательские навыки взаимодействия определяют качество жизни многих.
Как это работает?
«Право на забвение»
Одним из интересных для Digital Memory Studies казусов может выступать «право на забвение». Известный судебный эпизод с делом Марио Костехи Гонсалеса вызвал общественный резонанс и стал очередным этапом борьбы пользователей с корпорациями за собственные персональные данные. Теперь, согласно законам многих государств, человек может потребовать удаления из поисковой выдачи недостоверных, неактуальных и нарушающих местное законодательство данных, а также информации, способной нанести вред чести или репутации. Изучение этого судебного эпизода, предшествовавших и последовавших дискуссий позволяет создать рекомендации для пользователей, следование которым наращивает потенциал безопасного пребывания в сети. Таким образом, Digital Memory Studies анализирует своеобразные хабы цифровой среды — точки, где пересекаются нормы существования технологий и человека.
Цифровая загробная жизнь (digital afterlife)
Сегодня человек при жизни оставляет массу цифровых следов (например, в виде записей в блогах) и формирует цифровую собственность (интернет-аккаунты, связанные с ними договора, обязательства в сервисах электронных платежей), которую — как и любую другую — придется кому-то наследовать. Крупные корпорации вроде Apple и Microsoft разработали способы управления данными умерших. Но до недавнего времени для управления этим наследством пользователю при жизни приходилось совершать ряд манипуляций в каждом сервисе (например, в фейсбуке это назначение «наследника»). В противном случае после смерти доверенным лицам приходилось предоставлять корпорации свидетельство о смерти для урегулирования возникающих правовых и экономических последствий.
Сейчас веб-разработчики сделали процесс управления цифровым посмертным существованием более удобным: пользователи могут скачать приложения, которые позволяют настроить нормы наследования любых данных. Но, помимо управления наследством, пользователи могут организовать существование собственного цифрового присутствия после физического исчезновения с помощью формирования прижизненного архива воспоминаний для близких. Получается, что человек может придумать ту идентичность, воспоминания о которой он хочет оставить своим потомкам и близким. Хотя и кажется, что польза от подобных приложений существенна (они помогают упаковать воспоминания во friendly форматы), оборотная сторона машинно-человеческого взаимодействия очевидна. Нам предлагают программировать чужие крупицы памяти о себе, исходя из современных представлений о пользовательском опыте и не оставляя места для фиксации «других» воспоминаний.
Однажды молодой журналист Джошуа Фоэр оказался на чемпионате США по запоминанию — соревновании по способности воспроизводить случайные последовательности чисел, слов, стихов, лиц и имен. Редакционное задание обернулось для Фоэра решением попробовать себя в этом искусстве и за год подготовиться к чемпионату США. Ежедневные тренировки по развитию навыков запоминания чередовались с изучением истории науки о памяти и преодолением собственного скепсиса в отношении современных гуру мнемоники. Результатом этого опыта стала книга «Эйнштейн гуляет по Луне» (издательство «Альпина паблишер»), в которой личная история автора переплетена с размышлением об истории и философии памяти с момента рождения искусства запоминания в Древней Греции до наших дней.
Искусство запоминания лежало в основе древних культур. Философы и поэты передавали эпосы и трактаты из уст в уста. А книги были дороги, редки и настолько неудобны в пользовании, что чтение являлось скорее актом изучения и напоминания, чем познания. Важной частью античного образования наряду с грамматикой, логикой и риторикой были тренировки памяти. Базовые техники запоминания описаны еще до нашей эры в учебнике «Риторика для Геренния», который до сих пор остается библией для мнемотехников. Современные инструменты улучшения памяти основаны на давно известных приемах. Например, метод «дворцов памяти»: объект запоминания превращается в яркий и узнаваемый образ, который размещается в знакомое человеку место (loci — лат.). Таким местом может быть здание, улица или собственное тело. Цепочки образов, последовательно связанных в едином пространстве, гораздо проще запомнить и воспроизвести, чем при механической зубрежке. Этот прием можно одинаково успешно применять для фиксации в памяти списка дел, стихотворения или номера кредитной карты.
Отношение к памяти коренным образом изменилось с изобретением Гутенбергом печатного станка.
По мере совершенствования книгоиздания снижалась потребность в изучении книг и, напротив, росла интенсивность потребления информации. Внешние накопители памяти постепенно замещали внутреннюю способность человека к запоминанию. Сегодня функции памяти выполняют интернет, компьютеры и многочисленные гаджеты. Для того чтобы вспомнить название фильма или цитату классика, достаточно зайти в Google. Тотальная оцифровка памяти принимает порой странные формы. Так, один из легендарных инженеров компании Microsoft Гордон Белл уже более 10 лет постоянно документирует свою жизнь с помощью маленькой электронной камеры и специального диска, на котором хранятся все файлы и переписка. Его лайфлог (от life — жизнь и log — бортовой журнал) на момент написания книги весил более 170 Гбайт и разрастался со скоростью 1 Гбайт в месяц. Тенденция расширения пространства суррогатной памяти делает развитие естественной памяти уделом интеллектуалов, представляющих довольно странную субкультуру.
Казалось бы, переход на цифровые носители воспоминаний открывает перед нами новые возможности и перспективы. Однако Джошуа Фоэр предостерегает нас от соблазна отказаться от внутренней памяти. В классической европейской традиции, выросшей из античного канона, человек представляет собой совокупность изученного и запомненного. С точки зрения современного человека запоминание и креативность могут казаться противоречащими друг другу процессами.
Однако на деле они взаимосвязаны — новые идеи рождаются путем смешивания и трансформации известных знаний.
Сколько бы современное образование ни пропагандировало важность самостоятельного и творческого мышления, без опоры на факты оно не самодостаточно. Оцифрованные воспоминания, не пропущенные через внутренний опыт человека, не станут основой для технических изобретений и произведений искусства.
Изучая память, учёные имеют дело с десятью миллиардами нейронов и связями между ними. Все системы мозга важны для памяти, но ключевым механизмом является изменение в синапсах — местах контакта между двумя нейронами. Наличие этих микроскопических щелей объясняет то, что отростки одного нейрона никогда не сливаются с отростками другого.
Запоминание — это молекулярный процесс, связанный с синтезом белка, который активирует нейронные цепочки. Архитектуру этой схемы определяют гены. На образование одной молекулы белка уходит 48 часов, но изменённое в результате запоминания количество белка в определённых местах остаётся неизменным.
Когда нам нужно извлечь из памяти, например, номер телефона, активируется та же сеть нейронов, которая была задействована при его запоминании. Ещё есть гипотеза, что так происходит из-за изменения в РНК, которая синтезирует новый белок. Каждый новый бит информации изменяет его, а следующие биты примеряются к существующим белкам – если примерка проходит удачно, мы вспоминаем нужную информацию.
Процедурная память не связана
с гиппокампом. Именно поэтому нельзя разучиться ездить на велосипеде
Разные отделы мозга отвечают за разные виды памяти: например, теменная кора хранит навыки игры на музыкальных инструментах, а гиппокамп занимается формированием новых воспоминаний. Именно он был удалён у самого медийного пациента в истории нейронауки — HM, или Генри Густава Моллисона. После операции он не мог получать новую информацию, а помнил только своё детство, зато отлично справлялся с интеллектуальными головоломками. Моллисон помог учёным понять, что процедурная память не связана с гиппокампом. Именно поэтому нельзя разучиться ездить на велосипеде. Мозг Генри завещали науке — в веб-версии он представлен картой, по которой можно изучать дифференциацию нейронов и основы разных видов памяти.
Как учёные научились редактировать воспоминания?
В наш мозг встроен естественный механизм апдейта — память о событии меняется в зависимости от накопленных знаний, опыта и текущих желаний. Если вы сейчас голодны и вспоминаете свой десятый день рождения, то воспоминание о праздничном торте будет отчётливее, чем интерьер или лица друзей.
Наркотическая память
Нейробиологи из исследовательского института Эллен Скриппс во Флориде и университета Северной Каролины работают над тем, чтобы ликвидировать «наркотическую» память фармакологическим путём, что может помочь в борьбе с наркозависимостью. В ходе исследования мышам давали метамфетамин, сочетая препарат с воздействием нетипичных для их жизни стимулов. После двух дней (пока закреплялась новая память) вводился препарат, вызывающий разрушение актина. Этот белок играет роль в консолидации памяти. В результате мыши забывали о наркотическом опыте, потому что эта память формировалась отдельно от других воспоминаний. Стирание этих воспоминаний оказалось возможным без провоцирования тотальной ретроградной амнезии.
Избавление от негативных переживаний
«Молекула памяти» PKMζ. Картинка из слайдов к лекции П. М. Балабана на Зимней научной школе Future Biotech
Джозеф Леду из Нью-Йоркского университета проводил эксперименты с памятью о страхе у крыс. Сначала он усиленно тренировал животных ассоциировать громкий звук с электрошоком, а потом вводил в миндалевидное тело инъекцию вещества, блокирующего синтез протеинов. Память о страхе уходила. Результаты этого эксперимента подкрепляются данными о людях с повреждениями миндалевидного тела — у них точно так же отсутствуют травматические воспоминания.
Однако самой важной молекулой в процессе «стирания» воспоминаний и функционировании долговременной памяти остаётся молекула белка протеинкиназа М-зета. Согласно исследованиям Тодда Сактора из Медицинского центра Нью-Йоркского университета, она определяет эффективность нейронного контакта и очень важна для долговременного запоминания. При этом её можно заблокировать, стерев память, а затем «возродить» синтез молекулы путём обучения. Её важность продолжают оспаривать экспериментально, фиксируя отсутствие значительных изменений в памяти при её блокировке. Сактор говорит, что всё дело в наличии компенсаторных генов. Но для того, чтобы стереть нужное воспоминание, нужны надёжные наномеханизмы доставки антител.
Внедрение ложной памяти
В ходе серии экспериментов, проведённых командой учёных из Массачусетского технологического института под руководством нобелевского лауреата Судзуми Тонегавы, мышам удалось «внедрить» память о ложном событии. С помощью генных модификаций и вживления в мозг оптоволокна у них получилось заставить мышь бояться одну клетку (при помощи ударов по ногам), в то же время перезапуская её память и удаляя болезненные ассоциации с этой клеткой. Так была доказана гипотеза о том, что каждое воспоминание оставляет в мозге след — энграмму. «То, что ранее можно было увидеть в таких фильмах, как „Начало“ и „Вечное сияние чистого разума“, теперь становится возможным», — рассказал один из членов команды Тонегавы. И пусть пока эксперимент далёк от сюжета сай-фая, он даёт надежду на разработку мозговых чипов для внедрения разнообразных воспоминаний.
Протез памяти
Теодор Бергер из университета Южной Калифорнии с 90-х годов работает над силиконовым имплантом памяти в гиппокамп. Его устройство может заменять части повреждённого гиппокампа и даже усиливать способности здорового. Крошечный чип с электродами имплантируется в гиппокамп и записывает сигналы, представляющие собой краткосрочные воспоминания; далее сигналы пересылаются в компьютер, где математически преобразуются в долгосрочные воспоминания; а затем отправляются на второй набор электродов, который стимулирует другой отдел гиппокампа. Устройство должно пролить свет на то, как именно в мозге кодируются воспоминания человека и по какому принципу мы помним «лицо любимой бабушки» и отличаем его от других. Пока эксперименты успешно проводятся на крысах и обезьянах, а в течение двух лет начнутся и на людях. Сам Бергер говорит, что никогда не думал о том, что исследования зайдут так далеко. Теперь же он может помочь спасти пациентов с болезнью Альцгеймера и прочими расстройствами памяти.
Путь от кратковременной
к долгосрочной памяти
Учёные до сих пор не могут до конца понять, как долгосрочная память остаётся на всю жизнь, если протеины, участвовавшие в её формировании, исчезают в течение двух дней. Группа учёных из Института медицинских исследований Стауэрса доказала важность олигомеров CPEB в этом процессе. Эти молекулы — версия комбинации клавиш Ctrl+V в нервной системе. Они постоянно самовоспроизводятся, и, вероятно, именно поэтому мы можем извлекать из памяти информацию о том, что было давным-давно.
Редактирование неприятного опыта
Пока избавление от негативных воспоминаний, последствий посттравматического стресса и фобий — прерогатива психологии. Но гарвардский профессор Роджер Питман и профессор психиатрии Университета Макгилла Ален Брюне спешат психологам на помощь, за что журнал Forbes в своё время даже включил их в рейтинг «Десять человек, способных изменить мир».
В ходе опытов исследователи обнаружили препарат для устранения причины тяжёлых воспоминаний, а также научились различать воспоминания неприятные и травмирующие, чтобы сосредоточиться исключительно на борьбе со вторыми. Ключ к различию между ними скрыт в эмоциональной реакции. Пациенты, участвующие в эксперименте, детально фиксировали свои травмирующие воспоминания и перечитывали свои записи, предварительно приняв препарат пропранолол. Это лекарство от гипертонии, содержащее норадреналин, который участвует в генерации сильных эмоций. Через некоторое время эмоциональная память пациентов стала изменяться, и они переставали ассоциировать травматическое воспоминание с неприятными ощущениями. Приём анаприлина в течение нескольких часов после психотравмы также резко снижает шансы развития посттравматического синдрома. В таком случае воспоминание останется, но патологически болезненным оно не будет.
Память и правосудие
Психолог Элизабет Лофтус провела серию любопытных психологических экспериментов по «вживлению» ложных воспоминаний. Она показывала участникам, бывавшим в Диснейленде, фотографию из парка, где посетитель жал руку Багз Банни. Несколько участников вспомнили, что делали то же самое, хоть это и невозможно, так как Багз Банни — персонаж Warner Bros.
Её команда психологов опросила жертв 11 сентября; через год эксперимент был повторен и 37% воспоминаний тех же людей изменились. Некоторые истории становились более короткими с чёткой линией повествования, другие обрастали несуществующими подробностями. Дело в том, что при воспоминании пережитого важно получение позитивного фидбэка от собеседника. Этот факт также часто приводит к неправильной идентификации преступника. Так как наша память представляет собой синтез опытов, а не воспроизведение видеоряда, свидетель не может быть важнейшей опорой правосудия. Эту идею успешно защищает Innocence Project, который предлагает увидеть, как американская судебная система отходит от полагания на память жертвы к другим более достоверным источникам — ДНК-экспертизам и другим методам.
Память в эпоху
мобильного Интернета
Если мы вдруг забываем имя актёра или содержание книги, обычно идём «гуглить» касты фильмов или серфить «Википедию». Всё это оказывает серьёзное влияние на нашу память. Учёные из Университета Колумбии провели эксперимент и показали, как компьютеры успели изменить процесс запоминания. Подопытным дали набор фактов и половину из них попросили классифицировать информацию в папках на компьютере, а второй половине сказали, что эту информацию потом сотрут. Когда подопытных попросили вспомнить информацию, оказалось, что вторая группа (те, кто ожидал стирания информации) помнила намного больше информации, чем первая группа, кто просто сохранил информацию на ПК. Но подопытные из первой группы, которая сохраняла информацию, прекрасно помнили, куда именно они сохранили полученную информацию. Таким образом учёные доказали, что процесс запоминания адаптируется к новым технологиям. Люди стали сводить к минимуму время на запоминание самой информации, делая ставку на место, где её можно будет найти.
Музыка,
вызывающая воспоминания
Знакомая песня часто становится саундтреком к видеоряду из воспоминаний, который начинает проигрывать наш мозг. Мозговым iTunes выступает медиальная префронтальная кора — это показали эксперименты с использованием магнитно-резонансной стимуляции и воспроизведения чарта Billboard Top 100. Также серия экспериментов показала, что музыка помогает лечить автобиографическую амнезию и способна помочь пациентам с болезнью Альцгеймера.
Связь лишнего веса с памятью
Чикагский
медицинский центр Rush
Печень и часть лимбической системы головного мозга — гиппокамп — используют один и тот же протеин PPAR-альфа. Только печень — для сжигания жира на животе, а гиппокамп — для процессов запоминания информации. Именно поэтому ухудшение памяти в 3,6 раза чаще наблюдается у пациентов с лишним весом, о чём свидетельствуют исследования Чикагского медицинского центра Rush. Известно, что улучшает консолидацию долговременных воспоминаний кофеин, однако пока учёным не удалось установить необходимую дозировку.
Читайте также: