Вернемся к уже упомянутой статье Джорджа Миллера «Магическое число семь, плюс-минус два: некоторые пределы нашей способности обрабатывать информацию», в которой ученый высказал предположение, что природа ограничила наши способности обрабатывать информацию. Иными словами, наша рабочая память в состоянии вместить только примерно семь плюс-минус две структурные единицы. Размышления о пропускной способности из области информатики переместились в область психологии. При таком подходе человеческий мозг можно рассматривать как коммуникационный канал, и тогда объем поступающей информации может быть измерен количественно.

Конечно, сравнивать мозг с медными проводами по меньшей мере наивно. Но не пора ли ответить на вопрос: почему количество информации, которое наш мозг способен удерживать в рабочей памяти, ограниченно? Виноваты ли в этом специфические области мозга? Какие механизмы препятствуют запоминанию?

В первую очередь хотелось бы отметить, что число семь отнюдь не так сакрально, как считает Джордж Миллер. Объем информации, которую мы можем запомнить, не в последнюю очередь зависит от того, как она организована. Если информацию объединить в смысловые блоки, в такой, как, например, КГБ1968ЦРУ2001, то в рабочей памяти удержится больше семи единиц. Английский термин chunking означает разбивку информации на блоки или фрагменты. Когда информация не упорядочена и испытуемые не имеют возможности проговаривать ее про себя, восприимчивость памяти ухудшается.

Психолог Нельсон Кован в статье, которую он озаглавил, перефразируя Миллера, — «Магическое число четыре в кратковременной памяти», — соглашается с тем, что у мозга существует специфический предел, но подвергает сомнению гипотезу Миллера о сакральности числа семь. Кован считает, что большинство людей может одновременно оперировать тремя-четырьмя объектами, и очень незначительному меньшинству удается оперировать пятью объектами. В результате полученных данных он вывел новую формулу: четыре плюс-минус один. То есть «уточнил» Миллера. Он считает, что предел памяти, скорее всего, равен четырем единицам.

Но до конца опровергнуть Миллера все же не удалось. Число семь по-прежнему актуально.

Если мы попросим двадцать студентов запомнить ряд случайных цифр, большинство сможет воспроизвести от шести до восьми цифр. Это неоспоримый факт. Если мы решим проверить их визуально-пространственную память и попросим запомнить расположение точек на экране, некоторые дадут пять, а некоторые восемь правильных ответов, но среднее число, как это ни удивительно, чаще всего составит плюс-минус семь, то есть приблизится к пределу, обозначенному Миллером.

Для анализа той или иной информации исследователю необходимо располагать выборкой данных. Например, чтобы понять, как свинец сказывается на работе мозга, надо обследовать людей, которые подверглись воздействию свинца, и людей, которые не подверглись, а затем сравнить результаты. Чтобы проследить связь между объемом рабочей памяти и работой мозга, нужно исследовать людей с разным уровнем интеллектуальных способностей. Один из самых наглядных примеров — различия между рабочей памятью детей и взрослых. Поэтому давайте более подробно остановимся на том, как в детстве развивается рабочая память, а заодно и посмотрим, какие процессы в этот период происходят в мозге.

 

Развитие мозга

В следующий раз, когда вам выпадет случай оказаться в гостях, где есть семимесячный младенец, попробуйте провести такой эксперимент. Спрячьте его любимую игрушку под одеялом (сначала лучше спросить разрешения у родителей). Отвлеките ребенка — на несколько секунд и проследите, как он будет ее искать. Повторите этот трюк несколько раз, все время перепрятывая игрушку, — чтобы информация о том, где она спрятана, не сохранилась в долговременной памяти малыша.

Пятимесячный ребенок с подобной задачей не справится. Он не в состоянии сохранить образ предмета, который больше не видит, — по принципу: с глаз долой, из памяти вон. Если вы захотите представить себе, каково это — жить без рабочей памяти (а возомнить себя золотой рыбкой слишком уж нереально), попытайтесь взглянуть на мир глазами грудного младенца, маленького человека, которого постоянно захлестывает поток впечатлений. Рабочая память начинает постепенно формироваться где-то в семимесячном возрасте, а примерно в годовалом возрасте ребенок способен найти спрятанную игрушку уже через несколько секунд.

Вспомнить, где спрятана соска, — первый маленький шажок на пути развития рабочей памяти. Рабочая память продолжает развиваться и дальше, в детстве и юности объем памяти постоянно увеличивается, и так до двадцати-двадцати пяти лет. Рабочая память у детей хуже, чем у взрослых. Если восьмилетнего ребенка попросить «принести ручку, ластик, учебник математики и задачник, а затем открыть задачник на странице 25 и начать решать задачи», шанс, что через минуту он откроет задачник на нужной странице, микроскопически мал. Вполне возможно, конечно, что ему больше нравится играть в «Покемона», но все же, скорее всего, развернутая инструкция превысила пределы его рабочей памяти.

Развитие рабочей памяти — многоэтапный и многокомпонентный процесс. Один из этапов — освоение приемов. Например, четырехлетний ребенок, чтобы запомнить цифры, не повторяет их про себя. Этот метод облегчает запоминание, однако ребенок начинает применять его только в возрасте шести-семи лет.

Оценивать память у детей можно с помощью простых тестов. Один из них называется «Запомни и расставь точки». Ребенку показывают конфигурации из точек, а затем просят воспроизвести ее на карточках. Объемом внимания ребенка считается максимальное число точек, которое он смог правильно воспроизвести на любой из карточек (выбирается та из карточек, на которой было безошибочно воспроизведено самое большое количество точек).

Многие исследования показывают, что с годами объем рабочей памяти увеличивается, пока не достигает своего максимума примерно к 25 годам. На протяжении первых восьми лет жизни объем памяти ежегодно возрастает примерно на 7 процентов. Психологи Сандра Хейл и Астрид Фрай утверждают, что именно фактор развития памяти в детстве определяет интеллектуальный уровень личности. К сожалению, с годами память постепенно ухудшается. Согласно некоторым исследованиям, в 55 лет мы возвращаемся к уровню 12-летнего ребенка. Остается только уповать на лучшее и утешать себя тем, что мы, старики, перевалившие 25-летний рубеж, компенсируем этот недостаток суммой накопленных знаний и опытом. Или, как гласит греческая поговорка, которой один из старейших профессоров Стендфордского университета заканчивал все свои электронные письма, «старость и хитрость побеждают юность и навык».

Однако утверждение, что рабочая память у детей хуже, чем у взрослых, опровергается опытом многих родителей (включая меня самого), которые проигрывают своим детям в игру «Память» («Memory»). Многие, вероятно, в курсе, что «Память» — это популярная игра с парными картинками. Правила просты: от игрока требуется найти парные изображения, поочередно открывая карточки с картинками. В игре участвуют две одинаковые колоды карточек, допустим, две колоды по десять карточек. На лицевой стороне каждой карточки изображена какая-нибудь картинка. Эти картинки могут быть любыми, однако в пределах одной колоды они не повторяются. Две колоды тщательно перемешиваются между собой, и все карточки, по одной, раскладываются в случайном порядке «рубашкой» кверху. При этом неважно, лежат ли карточки стройными рядами или хаотично — лишь бы они не перекрывали друг друга.

Игроки делают ходы по очереди. Ход состоит в следующем. Игрок выбирает по своему усмотрению любые две карточки, переворачивает их и кладет лицевой стороной вверх на прежнее место (чтобы все участники могли на них посмотреть и запомнить их расположение). Если картинки на перевернутых карточках разные, то карточки следует возвратить в исходное положение, «рубашкой» кверху, и ход переходит к следующему игроку. Если же картинки одинаковые (то есть попались две карточки — дубликаты из разных колод), то игрок забирает обе карточки себе и повторяет ход. Игра заканчивается, когда все карточки оказываются разобранными. Выигрывает тот, кто набрал больше карточек.

Возрастные изменения рабочей памяти.

Десятилетние дети, по горькому опыту многих взрослых, как правило, выигрывают у своих родителей. Однако мамы и папы могут утешать себя тем, что обыгрывают, в свою очередь, своих родителей-пенсионеров. Все дело в том, что в этой игре задействована долговременная память. Информацию о картинках на лицевой стороне двадцати карточек не надо непрерывно прокручивать в рабочей памяти. Наоборот, эта информация кодируется в долговременной памяти, и ее можно извлечь оттуда в любую минуту. Точно так же мы вспоминаем, куда поставили машину несколько минут назад, перед тем, как отправиться за покупками. Впрочем, отдельные виды долговременной памяти с возрастом не развиваются, и тогда дети по своим мнемоническим возможностям опережают взрослых.

Возьмем другую развивающую детскую игру — «Саймон» («Simon»). Круг разделен на четыре сегмента — синий, желтый, красный и зеленый. Разноцветные сегменты в форме кусков торта загораются в определенном порядке, например верхний-нижний-правый-левый. Цель игры заключается в том, чтобы нажимать на клавиши в той последовательности, в какой они загораются. Если ход сделан правильно, то цепочка удлиняется на одно звено, например верхний-нижний-левый-правый-левый. Некоторые игроки воспроизводят цепочки из пятнадцати звеньев, и это опровергает утверждение Миллера о том, что наша рабочая память может удержать только семь единиц информации. Однако в этой игре один и тот же набор клавиш повторяется из раза в раз, и поэтому мы можем использовать нашу долговременную память. Если бы последовательность клавиш изменялась, игроки признали бы свое поражение гораздо раньше.

 

Сигналы и объем

Как с годами меняется мозг ребенка? И, в частности, какие процессы происходят с рабочей памятью? Чтобы ответить на эти вопросы, на протяжении последних нескольких лет моя группа в составе Хелены Вестерберг, Перниллы Олесен и Ханса Форссберга проводила исследования в Каролинском институте в Стокгольме. Мы использовали простые тесты — дети запоминали конфигурацию из точек, и пока они решали эту задачу, мы сканировали их мозг. Мы обнаружили, что у детей увеличилась активность специфических областей мозга — в теменной доле, а также в верхней и в передней части лобной доли. Наши выводы во многом совпали с выводами других ученых, которые ранее проводили аналогичные исследования.

Теменная доля — довольно большая зона мозга. В медицине ее называют париетальной долей. Кора мозга в париетальной доле состоит из складок и образует интрапариетальную борозду (sulcus intraparietalis). Самые явные изменения мы наблюдали именно в коре головного мозга, как раз в этих складках. И именно в этом сегменте наши коллеги обнаружили очаг активности при выполнении задач на произвольное внимание.

Причем в зависимости от характера задач активность мозга в лобной доле менялась. Эти выводы подтвердили многие исследования. Когда, например, наряду с важной информацией испытуемым давали второстепенные отвлекающие сведения, увеличивалась активность передней части лобной доли. Таким образом, все эти три области отвечают за рабочую память: чем выше активность, чем лучше способность к запоминанию. Есть еще один способ определить ключевые структуры, ответственные за объем рабочей памяти. Вспомним кривую, приведенную во вступительной главе, которая обозначает пределы рабочей памяти.

В 2004 году журнал «Природа» («Nature») опубликовал результаты двух исследований рабочей памяти. Участникам первого исследования предъявляли сначала 2, затем 4,6 и наконец 8 объектов. В роли объектов выступали маленькие круги, причем следовало запомнить и цвет круга, и место его расположения на экране. Постепенно результаты становились все хуже, точно так, как это показывает диаграмма. Затем активность мозга измерили с помощью функционального магнитно-резонансного томографа. Оказалось, что функционировала только одна-единственная область, как показано на диаграмме — в интрапариетальной борозде. В аналогичном опыте электрическую активность анализировали уже с помощью электроэнцефалограммы (ЭЭГ), и опять, как и на диаграмме, активизировалась область в интрапариетальной борозде.

Как же тогда обстоят дела с интеллектуальными способностями, ведь считалось, что они связаны с объемом рабочей памяти? В фундаментальном исследовании под руководством южнокорейского ученого Кун Хо Ли интеллект молодых людей измерили по матрицам Равена, а затем просканировали их мозг, когда они решали задачи на запоминание. Исследователи обнаружили, что чем лучше испытуемые справлялись с заданиями, тем выше была активность мозга в лобной и в теменной долях, и особенно в интрапариетальной борозде теменной доли. Именно эта зона мозга отвечает за развитие рабочей памяти в детстве, и этот факт подтвержден исследованиями моей группы, а также другими учеными.

Многие исследования подтверждают, что области в теменной и лобной долях напрямую связаны с объемом нашей рабочей памяти. То есть не весь мозг, а лишь некоторые его сегменты участвуют в деятельности рабочей памяти. Причем это те самые области, которые, как мы уже знаем, активируются, когда рабочая память сохраняет полученную информацию и когда внимание направляется на заранее намеченную цель. Может быть, здесь и находятся ключевые структуры, или то «узкое бутылочное горло», которое ограничивает нашу способность воспринимать и сохранять информацию? То, что к этому причастна лобная доля, кстати, вполне объяснимо, поскольку многие исследования последних десятилетий доказывают: лобная доля непосредственно отвечает за наши активные когнитивные функции. Но о том, что теменная доля также играет важную роль в этом процессе, стало известно сравнительно недавно. Примечательно и то, что роль теменной доли однозначно подчеркивают различные исследования, использующие разные методы.

Может быть, не случайно мозг Эйнштейна выделяется именно развитостью теменных долей. Мозг Эйнштейна вполне обычен по весу и размеру, и по большинству своих характеристик является вполне «среднестатистическим». А вот теменная часть гораздо шире, чем у «обычных» людей. К тому же левая теменная доля оказалась намного больше правой. Еще одна особенность, обратившая на себя внимание ученых, — борозда, разделяющая височную и теменную доли, чрезмерно увеличена и смещена вперед, что и объясняет расширение теменной доли.

 

Механизмы ограничения объема

Предположим, мы определили ключевые области мозга, которые регулируют процесс развития памяти в детстве. Какие изменения происходят в теменной и лобной долях при увеличении информационных нагрузок? Почему память не безгранична? На эту тему было проведено несколько исследований. Ученые задались целью выяснить, что происходит с мозговой активностью при увеличении количества букв, цифр или лиц, которые предлагается запомнить испытуемым. Результаты исследований во многом совпали, в частности, они показали, что скорость кровотока и метаболизма постепенно увеличивалась по мере увеличения объема информации. Может ли это означать, что существует некий метаболический предел в виде нехватки кислорода? Или в соответствующие области мозга поступает недостаточное количество крови, и именно этот фактор ограничивает деятельность нашей рабочей памяти? Может быть, в нашем мозге образуется молочная кислота? Если вы когда-нибудь выполняли тест на запоминание, когда вам называют восемь цифр, которые надо повторить в обратном порядке, мысль о молочной кислоте в мозге может показаться не совсем абсурдной.

Однако ни одно из этих объяснений не представляется достаточно убедительным. Кровоснабжение мозга устроено так, что нейроны всегда получают достаточное количество обогащенной кислородом крови. Когда нейроны активируются, увеличивая скорость метаболизма и расход кислорода, приток крови к ним возрастает настолько, что происходит сверхкомпенсация, и кислорода и крови поступает больше, чем когда нейроны бездействуют. Известно также, что в экстремальных ситуациях, например во время эпилептического припадка, в мозге увеличивается кровоток в гораздо большей степени, чем при выполнении задач, требующих интеллектуальных усилий. Так что придется искать другие вероятные объяснения. Возможно, изучая динамику возрастных изменений теменной и лобной долей, мы поймем, какие механизмы лежат в основе совершенствования рабочей памяти.

 

Детский мозг

Исследования детского мозга помогают нам избавиться от наивного штампа: мы всегда были убеждены в том, что мозг — высокофункциональная система, содержащая огромное количество нейронов. Кстати, в лобной доле двухлетнего ребенка содержится почти в два раза больше синапсов — соединений между нейронами, — чем у взрослого в 20-летнем возрасте. И вместе с тем рабочая память у двухлетнего малыша функционирует гораздо хуже. На третьем году жизни плотность синапсов постепенно начинает снижаться и примерно к 12 годам достигает уровня взрослого человека. После раннего перепроизводства количество нейронов, медиаторов и синапсов начинает стремительно уменьшаться.

В первые три месяца жизни ребенка в нервных волокнах, соединяющих два мозговых полушария, ежедневно гибнет 900 тысяч аксонов. Почему объем рабочей памяти увеличивается, когда нейроны исчезают, объяснить сложно. Возможно, структура нервных сетей организована так, что некоторые важные связи усиливаются, а второстепенные ослабевают.

В детском возрасте происходит еще один важный процесс — миелинизация. Межклеточные соединения покрыты веществом, которое называется миелином; оно играет роль проводника сигналов. Миелинизация — процесс образования миелина вокруг аксонов ряда нервных волокон — обычно полностью завершается к концу второго года жизни ребенка. Основная функция миелина — вещества, образующего миелиновую оболочку нервных волокон, — быстрое проведение нервного импульса по аксонам, которые он окружает. Слой миелина постепенно уплотняется, именно этот процесс и называется миелинизацией. Миелинизация в основном приходится на первые два года жизни, однако, как теперь стало известно, процесс продолжается вплоть до двадцатилетнего возраста. Магнитно-резонансное сканирование также выявило связь между миелинизацией нервных волокон, соединяющих кору теменной и лобной долей, и развитием рабочей памяти. Но почему этот феномен улучшает рабочую память, до конца не ясно. Возможно, это результат более интенсивного «общения» между нейронами. Другое объяснение — миелин увеличивает прочность связей, то есть повышает вероятность того, что импульс, посланный из теменной доли, достигнет лобной доли.

Таким образом, параллельно с развитием рабочей памяти в мозге происходит несколько процессов: усиление одних нейронных связей и ослабление других, значительная потеря соединений между различными областями мозга и миелинизация нервных волокон. Возможно, современные методы изучения человеческого мозга слишком примитивны, чтобы ответить на вопрос о пределах рабочей памяти. Может быть, надо искать объяснение, например, в характере синаптических связей между отдельными нейронами. Скептики считают, что сканировать мозг с помощью позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) или функциональной магнитно-резонансной томографии (ФМРТ) — все равно что измерять температуру компьютера: конечно, можно определить, насколько она повышается у работающего и понижается у выключенного компьютера, но это нисколько не помогает разобраться в устройстве и функциях компьютера.

 

Компьютерная имитация мозговой активности

Возможно, в будущем мы сможем сочетать методы с высокой разрешающей способностью, такие как электрофизиология с использованием тонких игл, когда обнаруживается активность отдельных нейронов, с методами сканирования, позволяющими одновременно измерить активность нескольких областей мозга, и таким образом интегрировать макроскопическую и микроскопическую информацию. Возможно также, наши знания о нейронах и их связях в будущем достигнут столь высокого уровня, что удастся создавать компьютерные модели мозга. С помощью этих моделей можно будет проверить различные гипотезы о поведении нейронов.

Моя исследовательская группа как раз участвует в подобном совместном проекте вместе с Еспером Тегнером, Фредриком Эдином и Юлианом Маковеану — разработчиками компьютерных моделей памяти. Наша цель — расшифровать механизмы, которые увеличивают объем рабочей памяти, а также проследить за изменениями мозговой активности в детском возрасте.

В наших исследованиях мы использовали сеть из нескольких сот нейронов, что соответствует поверхности лобной доли площадью примерно около квадратного миллиметра. Затем мы смоделировали сеть, которая по своему строению имитировала работу мозга обезьян, когда они сохраняли информацию в рабочей памяти. Теперь эта микросеть могла сохранять информацию в рабочей памяти. Точно так же, как у обезьян, эта информация сохранялась за счет непрерывной активности клеток: в тот период, когда информация сохраняется, происходит вторичная активизация, и таким образом, информация запоминается.

Но показывает ли эта модель, как увеличить объем памяти? Какие процессы способствуют улучшению памяти? Мы хотели подтвердить или опровергнуть две основных гипотезы. Первая гипотеза — рабочая память улучшается за счет усиления связей между нейронами. Согласно второй гипотезе, объем памяти зависит от скорости, с которой нейроны обмениваются импульсами. То есть чем выше скорость, тем лучше память. Скорее всего, увеличение скорости соединений зависит от процесса миелинизации, и лично я в это охотно верю, поскольку магнитно-резонансное сканирование ранее показало, что миелинизация нервных волокон в определенных областях мозга позитивно влияет на рабочую память.

Для проверки обеих гипотез были созданы две модели нейронных сетей — «детская» и «взрослая». Затем мы измерили активность нейронов в процессе запоминания информации в рабочей памяти. Мы также измерили активность мозга у детей и у взрослых методом функциональной магнитно-резонансной томографии, чтобы понять, какая из гипотез больше соответствует действительности.

Выяснилось, что первая гипотеза имеет больше прав на существование. Сеть с более прочными синаптическими связями оказалась более стабильной, и мнемоническая деятельность продолжалась даже при наличии помех. Наши эксперименты с использованием функциональной магнитно-резонансной томографии подтвердили эти выводы. К моему разочарованию оказалось, что моя любимая гипотеза — об изменении активности мозга за счет скорости передачи импульсов — не подтвердилась.

В начале книги я высказал предположение, что сама природа ограничила наши познавательные возможности, и мы, обладая интеллектом каменного века, сегодня имеем дело с мощным информационным потоком. Оказалось, что ограничен именно объем рабочей памяти, это и есть регулятор. Пытаясь найти конкретную область мозга, где расположено это препятствие, мы обнаружили, что регуляторы рабочей памяти рассредоточены не по всей коре головного мозга, а находятся в определенных ключевых областях теменной и лобной долей.

Затем мы сделали следующий шаг, чтобы найти механизмы, ограничивающие объемы этих областей мозга. Мы хотели выяснить, какие нейрофизиологические процессы происходят на этих участках и как они связаны с ограниченным объемом памяти. И хотя мы продвинулись на научном фронте, многие вопросы пока так и остались открытыми. Компьютерное моделирование позволяет предположить, что, возможно, объем памяти каким-то образом зависит от прочности синаптических связей.

В следующей главе мы опять поговорим об информационном потоке и некоторых ситуациях, которые требуют умственного напряжения. Например, когда мы должны выполнить работу, несмотря на помехи. Или когда мы пытаемся выполнить несколько действий одновременно. Мы уже убедились в том, что объем рабочей памяти — ключевой фактор, когда речь идет о выполнении ряда интеллектуальных задач. А теперь попробуем разобраться: каковы механизмы помехоустойчивости? Существует ли зависимость между нашей способностью игнорировать помехи и делать одновременно несколько дел? Почему нам иногда так трудно сосредоточиться или выполнить несколько задач одновременно?