В поисках памяти: Возникновение новой науки о человеческой психике Кандель Эрик

14. Полученный опыт изменяет синапсы

После того как мы установили, что нейронное устройство исследованной нами формы поведения неизменно, встал принципиальный вопрос: как форма поведения, управляемая строго определенной нейронной цепью, может изменяться в результате полученного опыта? Один вероятный ответ на этот вопрос предложил Кахаль, предположивший, что обучение может приводить к изменению силы синапсов между нейронами, тем самым усиливая связи между ними. Интересно, что Фрейд в «Проекте научной психологии» в общих чертах наметил нейронную модель психики, включающую подобный механизм обучения. Он постулировал, что в восприятии и работе памяти задействованы две разные группы нейронов. В нейронных цепях, обеспечивающих восприятие, синаптические связи постоянны, что обеспечивает постоянство воспринимаемого нами мира. В свою очередь, в нейронных цепях, обеспечивающих работу памяти, есть синаптические связи, сила которых изменяется в ходе обучения. Этот механизм составляет основу памяти и высших когнитивных функций.

Работы Павлова и бихевиористов, а также Бренды Милнер и когнитивных психологов привели меня к пониманию того, что при разных формах обучения возникают разные формы памяти. Поэтому я переформулировал идею Кахаля и использовал это новое представление как основу для разработки аналогов обучения у аплизии. Результаты исследования показали, что стимуляция разного характера приводит к разным изменениям синаптических связей. Но мы с Тауцем не исследовали, как изменяется настоящее поведение, и поэтому не имели доказательств того, что обучение действительно обеспечивают изменения синаптической силы.

Более того, сама идея, что синапсы могут изменяться в результате обучения и тем самым принимать участие в хранении памяти, отнюдь не была общепринятой. Через два десятилетия после того, как Кахаль сформулировал эту идею, выдающийся гарвардский физиолог Александер Форбс предположил, что память поддерживается динамическими, непрерывными изменениями в замкнутых самовозбуждающихся нейронных цепях. В подтверждение этой идеи Форбс приводил рисунок работы Рафаэля Лоренте де Но, ученика Кахаля, показывающий нейроны, связанные друг с другом в замкнутые проводящие пути. Эту идею далее разработал психолог Дональд Хебб в своей влиятельной книге 1949 года «Организация поведения: нейропсихологическая теория». Хебб доказывал, что такие ревербераторные цепи ответственны за кратковременную память.

Делиль Бернс, один из ведущих исследователей биологии коры головного мозга, тоже оспаривал представление о том, что физические изменения в синапсах могут служить средством хранения памяти: «Механизмы синаптического облегчения, предложенные в качестве претендентов на роль объяснения работы памяти, <…> не оправдали надежд. Прежде чем видеть в любом из них клеточные изменения, сопровождающие выработку условного рефлекса, пришлось бы сильно увеличить масштаб времени, в течение которого наблюдалась их работа. Неоднократно показанная неудовлетворительность синаптического облегчения как объяснения работы памяти заставляет задуматься о том, не может ли оказаться, что нейрофизиологи искали механизмы не того типа».

Некоторые ученые сомневались в самой возможности процесса обучения в пределах постоянных нейронных цепей. Они считали, что обучение должно быть частично или даже полностью независимым от заранее установленных проводящих путей. Этого мнения придерживались Лешли и некоторые представители влиятельного направления в когнитивной психологии раннего периода — гештальтпсихологии. Разновидность этой идеи сформулировал в 1965 году нейрофизиолог Росс Эйди. Он начал свои доводы с того, что «ни для одного нейрона в естественной или искусственной изоляции от других нейронов не была показана способность сохранять информацию, соответствующую обычным представлениям о памяти». Затем он доказывал, что электрический ток, проходящий пространство между нейронами, может передавать сигналы, роль которых «по меньшей мере эквивалентна потенциалам действия нейронов в передаче информации и, что еще важнее, в ее записи и считывании». Обучение представлялось Эйди и Лешли явлением совершенно таинственным.

После того как я и мои коллеги выявили нейронные цепи, лежащие в основе рефлекса втягивания жабр, и установили, что работа этих цепей может видоизменяться в ходе обучения, мы смогли задаться вопросом, справедливы ли какие-то из этих идей и если да, то какие. В 1970 году мы опубликовали в журнале Science серию из трех статей, и в первой была описана использованная нами исследовательская стратегия, которой мы руководствовались в своей работе на протяжении следующих трех десятков лет: «Для анализа нейронных механизмов обучения и аналогичных поведенческих изменений требуется животное, поведение которого может видоизменяться, а нервная система доступна для изучения на клеточном уровне. В этой и следующих двух статьях мы описываем результаты применения комбинированного поведенческого и клеточно-нейрофизиологического подхода для изучения морского моллюска аплизии с целью исследования поведенческого рефлекса, подверженного привыканию и снятию привыкания (сенсибилизации). Мы постепенно упрощали нейронную цепь, обеспечивающую это поведение, чтобы действие отдельных нейронов можно было соотносить со всем рефлексом. В результате теперь у нас имеется возможность изучать локализацию и механизмы этих поведенческих изменений».

В следующих статьях мы показали, что память не зависит от замкнутых самовозбуждающихся нейронных цепей. Мы установили, что в трех простых формах обучения, которые мы исследовали у аплизии, обучение приводит к изменениям в силе синаптических связей (а значит, и в эффективности взаимодействия) между определенными клетками в нейронной цепи, обеспечивающей эту поведенческую реакцию.

Наши данные говорили об этом однозначно и красноречиво. Мы определили анатомический и функциональный механизмы рефлекса втягивания жабр, регистрируя потенциалы отдельных сенсорных нейронов и мотонейронов. Мы обнаружили, что прикосновение к поверхности кожи вызывает активацию нескольких сенсорных нейронов, которые вместе производят большой сигнал (синаптический потенциал) в каждом из мотонейронов, вызывая запускание в них потенциалов действия. Эти потенциалы обеспечивают поведенческую реакцию — втягивание жабр. Можно было видеть, что при нормальных условиях сенсорные нейроны эффективно взаимодействуют с мотонейронами, посылая им соответствующий сигнал, обеспечивающий рефлекторное втягивание жабр.

Затем мы обратились к синаптическим связям между сенсорными нейронами и мотонейронами. Мы обнаружили, что в результате привыкания, вызываемого неоднократными прикосновениями к поверхности кожи, амплитуда рефлекса втягивания жабр постепенно уменьшается. Параллельно с этим изменением поведения наблюдалось постепенное ослабление синаптических связей. Из-за сенсибилизации, вызываемой ударом тока в переднюю или заднюю часть тела животного, происходило, напротив, усиление рефлекса втягивания жабр, сопровождавшееся и усилением синаптической связи. Из этого мы сделали вывод, что в ходе привыкания потенциалы действия сенсорного нейрона вызывают ослабление синаптического потенциала мотонейрона, приводя к снижению эффективности передачи сигналов, а при сенсибилизации потенциал действия сенсорного нейрона вызывает, напротив, усиление синаптического потенциала мотонейрона, приводя к повышению эффективности передачи сигналов.

В 1980 году мы сделали еще один шаг в использовании нашего редукционистского подхода, изучив, что происходит с синапсами в ходе выработки классического условного рефлекса. Для этой работы к нам с Кэрью присоединился Роберт Хокинс — проницательный молодой психолог из Стэнфордского университета. Хокинс родился в семье ученых, и ему не нужен был Нью-Йорк для расширения кругозора: он уже был страстным поклонником классической музыки и оперы. Будучи прекрасным спортсменом, в Стэнфорде он играл в университетской футбольной команде а затем сосредоточил свои спортивные увлечения на парусном спорте.

Мы убедились, что при выработке условного рефлекса нейронные сигналы, поступающие от безразличных (условных) и неприятных (безусловных) раздражителей, должны происходить в определенной последовательности. А именно — когда к сифону притрагиваются непосредственно перед ударом тока в заднюю часть тела, тем самым предсказывая этот удар, сенсорные нейроны запускают потенциал действия непосредственно перед тем, как к ним приходят сигналы от задней части тела. Это своевременное запускание потенциалов действия в сенсорных нейронах, за которым следует своевременное получение сигналов об ударе током, приводит к намного большему усилению синапса между сенсорным нейроном и мотонейроном, чем в случае, когда сигналы о прикосновении или об ударе током приходят отдельно, как при сенсибилизации.

Результаты этих исследований привыкания, сенсибилизации и выработки классического условного рефлекса заставили нас всерьез задуматься о том, как взаимодействие опыта с генетическими процессами и механизмами развития определяет структуру психической деятельности. Генетические процессы и механизмы развития устанавливают связи между нейронами, то есть определяют, какие нейроны с какими должны образовывать синаптические связи и когда это должно произойти. Но они не определяют силу этих связей. Сила (долговременная эффективность) синаптических связей регулируется опытом. Эта точка зрения предполагает, что потенциал многих форм поведения организма встроен в мозг и в соответствующей степени определяется генетикой и механизмами развития, однако окружающая среда и обучение изменяют эффективность работы заранее заданных проводящих путей, приводя к проявлению новых форм поведения. Результаты наших экспериментов с аплизией подтверждали эту точку зрения: в своих простейших формах обучение осуществляет выбор из широкого репертуара заранее заданных связей и изменяет силу определенного подмножества этих связей.

Обдумывая результаты, я невольно вспомнил о двух противоположных взглядах, господствовавших в философской мысли Запада начиная с xvii века, — эмпиризме и рационализме. Британский эмпирист Джон Локк доказывал, что мы не обладаем врожденными знаниями и наша психика вначале представляет собой чистый лист, постепенно заполняемый опытом. Все, что мы знаем о мире, есть результат обучения, поэтому чем чаще мы сталкиваемся с той или иной идеей и чем эффективнее ассоциируем ее с другими, тем продолжительнее ее воздействие на нашу психику. Иммануил Кант, немецкий философ-рационалист, утверждал обратное — что мы рождаемся с определенными встроенными шаблонами знаний. Эти шаблоны, которые Кант называл априорными знаниями, определяют восприятие и интерпретацию нашего сенсорного опыта.

Когда я выбирал между профессиями психоаналитика и биолога, я решил стать биологом, потому что психоанализ, как и предшествовавшая ему дисциплина, философия, рассматривает мозг как черный ящик, как нечто неведомое. Ни философия, ни психоанализ не могли разрешить спор между представлениями эмпиристов и рационалистов о психике, потому что для разрешения этого спора требовалось изучать непосредственно мозг. Именно этим мы теперь и занялись. Изучая рефлекс втягивания жабр у такого простого организма, мы убедились, что оба этих взгляда отчасти справедливы и на самом деле дополняют друг друга.

Анатомии нейронной цепи дает нам простой пример кантианских априорных знаний, в то время как изменения силы некоторых связей в этой цепи отражают действие опыта. Более того, в соответствии с представлением Локка о том, что повторение — мать учения, длительность действия многократного опыта составляет основу памяти.

Лешли и многим другим казалось, что исследовать механизмы сложного обучения невозможно, но изящная простота рефлекса втягивания жабр у моллюска позволила мне и моим коллегам применить экспериментальный подход к ряду вопросов философии и психоанализа, которые и привели меня в биологию. Я находил это одновременно поразительным и курьезным.

Наша третья публикация в журнале Science за 1970 год завершалась следующими замечаниями: «…Эти данные указывают на то, что и в привыкании, и в снятии привыкания (сенсибилизации) задействованы изменения функциональной эффективности уже существующих возбуждающих связей. Таким образом, по крайней мере в простых случаях <…> способность к видоизменениям поведения представляется непосредственно встроенной в нейронный механизм этого поведенческого рефлекса. И наконец, эти исследования подтверждают предположение <…> что анализ схемы проводящих путей, лежащих в основе определенной поведенческой реакции, является необходимым условием изучения видоизменений этой реакции. Более того, мы обнаружили, что, когда схема известна, изучение видоизменений данной поведенческой реакции сильно упрощается. Таким образом, хотя наше исследование относится лишь к довольно простым и кратковременным видоизменениям поведения, аналогичный подход, вероятно, может быть применен и к более сложным, а также к более продолжительным формам обучения».

Придерживаясь этого крайне редукционистского подхода, исследуя очень простой поведенческий рефлекс и простые формы обучения, определяя клетка за клеткой нейронную цепь, обеспечивающую этот рефлекс, а затем сосредоточив свое внимание на том, где в пределах цепи происходят изменения, мне удалось достичь той цели, которую в 1961 году в заявке на грант Национальных институтов здоровья я наметил для своей работы в перспективе. Мне удалось «поймать условно-рефлекторную реакцию в наименьшей возможной популяции нейронов» — в связях, возникающих между двумя клетками.

Итак, редукционистский подход позволил нам открыть несколько принципов клеточной биологии обучения и памяти. Во-первых, мы установили, что изменения синаптической силы, лежащие в основе обучения, связанного с поведенческой реакцией, могут быть достаточно сильными, чтобы перенастроить нейронную сеть и изменить ее способность к обработке информации. Например, один конкретный нейрон аплизии взаимодействует с восемью разными мотонейронами: пятью осуществляющими движение жабр и тремя вызывающими сокращение железы, которая производит чернильную жидкость и тем самым выделение этой жидкости. До обучения активация этого сенсорного нейрона вызывала умеренное возбуждение пяти иннервирующих жабры мотонейронов, из-за чего в них запускались потенциалы действия, и жабры сокращались. Активация этого сенсорного нейрона вызывала также возбуждение трех мотонейронов, иннервирующих чернильную железу, но слишком слабое, чтобы запустить потенциал действия и привести к выделению чернильной жидкости. Поэтому до обучения действие раздражителя на сифон вызывало реакцию втягивания жабр, но не реакцию выделения чернильной жидкости. Однако после сенсибилизации синаптическая связь между сенсорным нейроном и восемью мотонейронами усиливается, в результате чего в трех мотонейронах, иннервирующих чернильную железу, тоже запускаются потенциалы действия. Значит, после такого обучения раздражение сифона приводит как к выделению чернильной жидкости, так и к более сильному втягиванию жабр.

Во-вторых, в соответствии с переформулированной теорией Кахаля и результатами моих предшествующих работ с аналогами обучения мы обнаружили, что набор синаптических связей между двумя нейронами может видоизменяться двумя противоположными способами (усиливаться или ослабляться) под действием разных форм обучения. При этом привыкание ослабляет синапсы, а сенсибилизация и классический условный рефлекс их усиливают. Эти длительные изменения силы синаптических связей представляют собой клеточные механизмы, лежащие в основе обучения и кратковременной памяти. Кроме того, поскольку изменения происходят в нескольких участках нейронной цепи, обеспечивающей рефлекс втягивания жабр, память распределяется и записывается во всей цепи, а не в каком-то единственном особом ее участке.

В-третьих, мы установили, что во всех этих трех формах обучения продолжительность хранения кратковременной памяти зависит от длительности периода, в течение которого синапс остается ослабленным или усиленным.

В-четвертых, мы начинали понимать, что сила определенного химического синапса может изменяться одним из пары способов в зависимости от того, какая из двух нейронных цепей активируется в ходе обучения — основная, то есть собственная цепь безусловного рефлекса, или модуляторная. У аплизии основная цепь состоит из сенсорных нейронов, иннервирующих сифон, интернейронов и мотонейронов, управляющих рефлексом втягивания жабр, а модуляторная цепь — из сенсорных нейронов, иннервирующих заднюю часть тела, удаленную и от сифона, и от жабр. Когда активируются нейроны основной цепи, происходят гомосинаптические изменения силы связей. Это наблюдается при привыкании: в сенсорных нейронах и мотонейронах, управляющих рефлексом втягивания жабр, определенным образом неоднократно запускаются потенциалы действия, осуществляя непосредственную реакцию на неоднократное действие сенсорного раздражителя. Гетеросинаптические изменения силы связей происходят при активации нейронов модуляторной, а не основной цепи. Это наблюдается при сенсибилизации: действие сильного раздражителя на заднюю часть тела вызывает активацию модуляторной цепи, которая управляет силой синаптической передачи нейронов основной цепи.

Впоследствии мы установили, что в выработке классического условного рефлекса задействованы как гомосинаптические, так и гетеросинаптические изменения. Более того, результаты наших исследований, посвященных связи сенсибилизации и выработки классического условного рефлекса, указывают на то, что обучение может осуществляться за счет сочетания различных элементарных форм синаптической пластичности с образованием новых, более сложных форм — примерно так, как из букв складываются слова.

Теперь я начал понимать, что преобладание химических синапсов над электрическими в нервной системе животных может быть связано с принципиальным преимуществом химической передачи над электрической — ее способностью обеспечивать разнообразные формы обучения и хранения памяти.

В свете этих данных стало ясно, что обеспечивающие рефлекс втягивания жабр синаптические связи между сенсорными нейронами и мотонейронами, возникшими в ходе эволюции для обеспечения разных форм обучения, намного легче изменить, чем синаптические связи, не играющие в обучении никакой роли. Наши исследования красноречиво показали, что в нейронных цепях, видоизменяемых в ходе обучения, синапсы могут подвергаться существенным и длительным изменениям силы, даже если обучение было довольно непродолжительным.

Одно из фундаментальных свойств памяти состоит в том, что она формируется поэтапно. Кратковременная память сохраняется минуты, в то время как долговременная — много дней и даже дольше. Судя по экспериментам с поведением, кратковременная память естественным образом постепенно переходит в долговременную, и происходит это благодаря повторению. Повторение — действительно мать учения.

Как практика обеспечивает этот переход? Как в процессе обучения кратковременная память преобразуется в постоянную, самоподдерживающуюся долговременную память? Происходит ли этот процесс в том же месте (там, где сенсорные нейроны связываются с мотонейронами) или требуется какое-то другое место? Теперь мы могли искать ответ на эти вопросы.

В тот период наука вновь полностью поглотила мое внимание, вытеснив все остальные занятия. Однако в своей одержимости аплизией я нашел неожиданного союзника в лице дочери Минуш. В 1970 году, когда ей было пять лет и она только что научилась читать, она наткнулась на изображение аплизии в «Энциклопедии жизни животных» издательства Larousse — прекрасной иллюстрированной книге, которую я держал у нас в гостиной. Минуш была в полном восторге от этой картинки и не раз, показывая на нее, кричала: «Аплизия! Аплизия!»

Через два года, когда ей было семь, она написала по случаю моего дня рождения (мне исполнилось сорок три) следующее стихотворение.

Аплиза

стихи Минуш

Перепечатано из книги: E. R. Kandel, Behavioral Biology of Aplysia, W. H. Freeman and Company: 1979.

Минуш прочла это стихотворение вслух — намного лучше, чем получилось бы у меня!

15. Биологические основы индивидуальности

Благодаря экспериментам с аплизией я узнал, что изменения поведения сопровождаются изменениями силы синаптических связей между нейронами, обеспечивающими такое поведение. Но эксперименты ничего не говорили о том, как кратковременная память преобразуется в долговременную. Более того, о клеточных механизмах долговременной памяти вообще ничего не было известно.

Основанием для моих ранних экспериментов с обучением послужили аналогичные эксперименты бихевиористов, которые интересовались преимущественно механизмами приобретения знаний и их сохранения в кратковременной памяти. Долговременная память их не особенно интересовала. Интерес к ней пришел из посвященных человеческой памяти работ, предвещавших возникновение когнитивной психологии.

В 1885 году, за десять лет до того, как Эдвард Торндайк начал в Колумбийском университете свои исследования обучения у подопытных животных, немецкий философ Герман Эббингауз преобразовал изучение человеческой памяти из интроспективной дисциплины в лабораторную науку. На Эббингауза оказали влияние трое ученых: физиолог Эрнст Вебер и физики Густав Фехнер и Герман Гельмгольц, внедрившие точные методы в науку о восприятии. К примеру, Гельмгольц измерял скорость, с которой сигнал о прикосновении к поверхности кожи достигает мозга. В то время считалось, что скорость проведения сигналов по нервам неизмеримо высока и сравнима со скоростью света. Но Гельмгольц обнаружил, что она сравнительно невысока: около 90 футов[23] в секунду. Более того, время реакции, которое требуется испытуемому, чтобы отреагировать на раздражитель, оказалось еще больше, чем время, за которое сигнал достигает мозга! Это заставило Гельмгольца предположить, что значительная часть осуществляемой мозгом обработки сенсорной информации происходит бессознательно. Он назвал такую обработку «неосознанными умозаключениями» и предположил, что она основана на измерении и преобразовании нервных сигналов без осознания этих действий. Гельмгольц доказывал, что такая обработка должна обеспечиваться сигналами, определенным образом направляемыми и обрабатываемыми в различных участках нервной системы в процессе восприятия и осуществления произвольных движений.

Эббингауз, как и Гельмгольц, придерживался мнения, что психические явления имеют биологическую природу и поддаются объяснению в таких же строгих естественнонаучных терминах, что и явления физики и химии. Например, восприятие поддается эмпирическому изучению в той степени, в какой сенсорные раздражители, вызывающие ту или иную реакцию, объективны и количественно измеримы. Эббингауз решил использовать аналогичный экспериментальный подход для изучения памяти. Методы, которые он разработал для измерения памяти, по-прежнему используются.

Планируя эксперименты, посвященные механизмам запоминания новой информации, Эббингауз хотел быть уверенным, что люди, с которыми он работает, действительно приобретают новые ассоциации, а не полагаются на ассоциации, усвоенные ранее. Ему пришла в голову идея просить испытуемых запоминать бессмысленные слова, каждое из которых состояло из двух согласных, разделенных гласной (rax, paf, wux, caz и так далее). Поскольку каждое из этих слов бессмысленно, они не укладываются в уже сложившуюся систему ассоциаций. Эббингауз придумал около двух тысяч таких слов, записал каждое из них на отдельной карточке, перетасовал эти карточки и в случайном порядке доставал их, формируя списки разной длины, включавшие от семи до тридцати шести бессмысленных слов. Поставив себе непростую задачу выучить эти списки наизусть, он поехал в Париж и снял комнату в мансарде с видом на крыши прекрасного города. Там он выучил все списки по очереди, зачитывая их вслух со скоростью пятьдесят слов в минуту. Как говорила Дениз, «только в Париже человеку вообще может прийти в голову ставить такой скучный эксперимент!».

Из результатов этих экспериментов на себе Эббингауз вывел два принципа. Во-первых, он обнаружил, что памяти свойственна ступенчатость, иными словами, повторение — мать учения. Между числом повторений в первый день и объемом материала, сохранившимся в памяти на следующий, была линейная зависимость. Таким образом, долговременная память казалась просто продолжением кратковременной памяти. Во-вторых, несмотря на явное сходство механизмов кратковременной и долговременной памяти, Эббингауз отметил, что список из шести или семи слов можно выучить и запомнить с одного раза, в то время как более длинные списки требуют неоднократного повторения.

Затем он начертил кривую забывания. Он проверял сам себя через разные промежутки времени после заучивания списков, используя для каждого промежутка разные списки, и определил, какое время требовалось для того, чтобы повторно выучить каждый список с такой же степенью точности, как при первом заучивании. Он обнаружил: что-то сохраняется в памяти и после забывания, повторное заучивание старого списка требовало меньше времени и меньше повторений, чем первоначальное. И самое интересное: он обнаружил, что забывание включает по крайней мере две фазы — быстрого снижения в начале, наиболее резкого в течение первого часа после заучивания, а затем намного более пологого снижения, которое продолжается около месяца.

В 1890 году Уильям Джеймс благодаря выявленным Эббингаузом двум фазам забывания и собственной редкой интуиции пришел к выводу, что память должна включать по крайней мере два разных процесса: кратковременный, который он назвал первичной памятью, и долговременный — вторичная память. Долгосрочную он называл вторичной, потому что она предполагает вспоминание через некоторое время после первичного обучения.

Психологам, которые продолжали дело Эббиигауза и Джеймса, постепенно стало ясно, что следующий шаг в изучении долговременной памяти должен состоять в том, чтобы понять, как происходит ее закрепление (теперь этот процесс называют консолидацией). Чтобы воспоминание надолго сохранилось, необходима полная и глубокая обработка поступающей информации. Она достигается путем обращения на эту информацию внимания и осмысленной и систематической ассоциации ее со знаниями, уже хорошо закрепленными в памяти.

Первые данные, указывающие на то, что новая информация стабилизируется для долговременного хранения, получили в 1990 году два немецких психолога — Георг Мюллер и Алфонс Пильцекер. Используя методы Эббингауза, они просили группу испытуемых выучить список из бессмысленных слов достаточно хорошо, чтобы вспомнить его через двадцать четыре часа, что испытуемые из этой группы без труда и делали. Затем исследователи просили испытуемых из другой группы выучить тот же список за то же число повторений, но сразу после этого выучить еще один, дополнительный. Испытуемые из второй группы через двадцать четыре часа не могли вспомнить первый. Испытуемые из третьей группы, которым давали выучить второй список через два часа после того, как они выучивали первый, напротив, без особого труда вспоминали первый через двадцать четыре часа. Этот результат заставлял предположить, что в пределах часа после заучивания, когда первый список был занесен в кратковременную память и, возможно, в ранние стадии долговременной, память по-прежнему неустойчива. Судя по всему, для закрепления (консолидации) долговременной памяти требовался некоторый промежуток времени. После консолидации, через два или более часов, память стабилизировалась, становясь на какое-то время более устойчивой.

Представление о консолидации памяти подтверждается клиническими наблюдениями двух типов. Во-первых, с конца XIX века было известно, что черепно-мозговые травмы и сотрясения мозга могут приводить к форме потери памяти, называемой ретроградной амнезией. Боксер, который в пятом раунде получает удар по голове и переносит сотрясение мозга, обычно помнит, как он пришел на матч, но все дальнейшее стирается из его памяти. Несомненно, что ряд событий, непосредственно предшествовавших удару, записался в его памяти: волнение при выходе на ринг, движения противника во время первых четырех раундов, а возможно, даже сам удар и попытка от него уклониться, но сотрясение мозга произошло раньше, чем какие-либо из этих воспоминаний успели консолидироваться. Во-вторых, клинические наблюдения показывают, что сходная ретроградная амнезия нередко наступает после эпилептического припадка. Человек, страдающий эпилепсией, не может запомнить события, непосредственно предшествовавшие припадку, хотя припадок и не оказывает никакого воздействия на воспоминания о более ранних событиях. Это заставляет предположить, что память на ранних этапах хранения активна и легко нарушается.

Первую строгую проверку консолидации памяти провел в 1949 году американский психолог Карл Дункан. Он стимулировал электричеством головной мозг животных во время и сразу после обучения, вызывая припадок, который нарушал память, приводя к ретроградной амнезии. Когда же он вызывал у животных такой припадок через несколько часов после обучения, его действие на результаты обучения было слабым или не наблюдалось. Почти двадцать лет спустя Луис Флекснер из Пенсильванского университета сделал замечательное открытие: препараты, подавляющие синтез белков в мозгу, если принимать их во время и вскоре после обучения, нарушают долговременную память, но не сказываются на кратковременной памяти. Это открытие заставляло предположить, что для сохранения долговременной памяти требуется синтез новых белков. Обе работы, судя по всему; подтверждали представление о том, что сохранение памяти происходит по крайней мере в две стадии: кратковременная память, продолжительность которой составляет минуты, с помощью процесса консолидации, требующего синтеза новых белков, преобразуется в стабильную долговременную память, продолжительность которой составляет дни, недели и даже больше.

Вскоре были предложены новые варианты этой двухстадийной модели памяти. Согласно одной из них, кратковременная и долговременная память сохраняется в разных анатомических структурах. Но некоторые психологи, напротив, доказывали, что память хранится в одном и том же месте, просто закрепляясь со временем. Вопрос о том, требуются ли для кратковременной и долговременной памяти две отдельные структуры или они могут размещаться в одном и том же месте, принципиален для исследований поведения, особенно для исследований памяти на клеточном уровне. Было ясно, что нельзя найти ответ на этот вопрос, изучая одно лишь поведение: нужно было изучать клетки. Наши работы с аплизией давали возможность заняться вопросом, обеспечивается ли кратковременная и долговременная память одним или двумя разными нейронными процессами и происходит ли это в одном и том же или в разных участках нервной системы.

В 1971 году мы с Кэрью установили, что многократное повторение обеспечивает длительное поддержание результатов таких простейших форм обучения, как привыкание и сенсибилизация. Таким образом, эти формы обучения вполне можно было использовать для исследования различий между долговременной и кратковременной памятью. В итоге мы выяснили, что клеточные изменения, сопровождающие долговременную сенсибилизацию у аплизии, похожи на изменения, лежащие в основе долговременной памяти в мозгу млекопитающих: в обоих случаях долговременная память требует синтеза новых белков.

Нам хотелось узнать, используются ли для простых форм долговременной памяти те же места хранения (те же группы нейронов и те же наборы синапсов), что и для кратковременной. Из работ Бренды Милнер, посвященных Г. М., я знал, что у людей для сохранения сложной, эксплицитной долговременной памяти (срок хранения которой составляет дни или годы) требуется не только кора, но и гиппокамп. Но относится ли это и к более простой, имплицитной памяти? Мы с Кэрью и Кастеллуччи выяснили, что те же синаптические связи между сенсорными нейронами и мотонейронами, которые изменяются при кратковременных привыкании и сенсибилизации, изменяются и при долговременных. Кроме того, в обоих случаях синаптические изменения сопровождали наблюдаемые нами изменения поведения: при долговременном привыкании происходила депрессия синапсов, сохранявшаяся неделями, а при долговременной сенсибилизации — усиление, тоже сохранявшееся неделями. Этот результат указывал на то, что в простейших случаях кратковременная и долговременная память может храниться в одном и том же месте, в том числе для разных форм обучения.

Но оставался вопрос о механизмах. Одинаковы ли механизмы кратковременной и долговременной памяти? И если да, то какова природа процесса, обеспечивающего консолидацию долговременной памяти? Для того ям нужен синтез белков, чтобы обеспечивать долговременные синаптические изменения, связанные с долговременным хранением памяти?

Какое-то время я думал, что память может консолидироваться за счет анатомических изменений. В этом могла быть одна из причин, почему для долговременной памяти нужен новый белок. Я чувствовал, что скоро нам потребуется исследовать структуру хранения памяти. В 1973 году мне удалось взять на работу Крейга Бейли — талантливого и творческого молодого специалиста по клеточной биологии, задача которого состояла в изучении структурных изменений, сопровождающих переход кратковременной памяти в долговременную.

Бейли с его коллегой Мэри Чэнь и мы с Кэрью установили, что долговременная память не является простым продолжением кратковременной: при долговременной памяти не только синаптические изменения дольше сохраняются, но также, что более удивительно, изменяется число синапсов, действующих в нейронной цепи. А именно — при долговременном привыкании число пресинаптических связей между сенсорными нейронами и мотонейронами уменьшается, а при долговременной сенсибилизации у сенсорных нейронов вырастают новые связи, действующие, пока сохраняется память (рис. 15–1). В обоих случаях в мотонейронах происходит ряд параллельных изменений.

15–1. Анатомические изменения, сопровождающие долговременную память.

У этих анатомических изменений есть несколько проявлений. Бейли и Чэнь установили, что у одного сенсорного нейрона приблизительно 1300 пресинаптических окончаний, соединяющих его с примерно 25 разными клетками-мишенями — мотонейронами, возбуждающими интернейронами и тормозными интернейронами. Из этих 1300 пресинаптических окончаний лишь примерно у 40 есть активные синапсы, и только в этих синапсах имеется аппарат для выделения нейромедиатора. Остальные нейроны бездействуют. При долговременной сенсибилизации число синаптических окончаний увеличивается более чем вдвое (с 1300 до 2700), а доля активных синапсов возрастает с 40 % до 60 %. Кроме того, у мотонейрона тоже образуются дополнительные отростки, с которыми связываются некоторые новые окончания сенсорных нейронов. По мере того как память слабеет, а реакция возвращается к норме, число пресинаптических окончаний снижается с 2700 до примерно 1500, что не намного больше их первоначального количества. По-видимому, с этим остаточным явлением и связан открытый Эббингаузом факт, что при повторном выполнении того же задания животное может обучаться быстрее. При долговременном привыкании общее число пресинаптических окончаний, напротив, снижается с 1300 примерно до 850, а число активных окончаний — с 500 примерно до 100, что приводит к почти полному выключению синаптической передачи (рис. 15–1).

Таким образом, на примере аплизии мы впервые убедились, что число синапсов в нервной системе непостоянно — оно изменяется в ходе обучения! Более того, долговременная память сохраняется, пока поддерживаются связанные с ней анатомические изменения.

Эти открытия впервые позволили проверить две альтернативные теории хранения памяти. И обе оказались по-своему правильными. В соответствии с теорией одного процесса при привыкании и сенсибилизации в одном и том же месте действительно может возникать и кратковременная, и долговременная память. Более того, в обоих случаях происходят изменения синаптической силы. Но вместе с тем в соответствии с теорией двух процессов в основе этих кратковременных и долговременных изменений лежат принципиально разные механизмы. Кратковременная память связана с изменениями функций синапсов — усилением или ослаблением уже существующих связей, а долговременная требует анатомических изменений. Многократно вызываемая (повторяемая) сенсибилизация заставляет нейроны отращивать новые окончания, обеспечивая долговременную память, а многократно вызываемое привыкание заставляет нейроны втягивать уже имеющиеся у них окончания. Таким образом, вызывая глубокие структурные изменения, обучение может делать неактивные синапсы активными и наоборот.

Чтобы от памяти была польза, необходимо извлекать из нее то, что в ней записано. Извлечение информации требует соответствующих ключевых сигналов, которые животное может ассоциировать с приобретенным в ходе обучения опытом. Сигналы могут быть внешними, такими как сенсорные раздражители при привыкании, сенсибилизации и классических условных рефлексах, или внутренними — вызываемыми мыслями или побуждениями. В случае с рефлексом втягивания жабр у аплизии извлечение информации из памяти происходит благодаря внешнему сигналу, а именно прикосновению к сифону, которое и вызывает рефлекторную реакцию. Информацию об этом раздражителе извлекают из памяти те же сенсорные нейроны и мотонейроны, которые активировались при выработке этого рефлекса. Но поскольку сила и число синаптических связей между нейронами видоизменились в ходе обучения, потенциал действия, вызываемый прикосновением к сифону, достигая пресинаптического окончания, «считывает» новое состояние синапса, и извлеченная из памяти информация обеспечивает усиленную реакцию на раздражитель.

В случае долговременной памяти, как и в случае кратковременной, число изменившихся синаптических связей может оказаться достаточно большим, чтобы перенастроить нейронную цепь, но на этот раз на анатомическом уровне. К примеру, до обучения воздействие раздражителя на сенсорный нейрон аплизии может оказаться достаточно сильным, чтобы запустить потенциалы действия в мотонейронах, ведущих к жабрам, но недостаточным для запуска потенциалов действия в мотонейронах, ведущих к чернильной железе. Повторное обучение усиливает синаптические связи не только между сенсорным нейроном и мотонейронами жабр, но и между сенсорным нейроном и мотонейронами чернильной железы. После обучения воздействие раздражителя на сенсорный нейрон извлекает из памяти информацию об усиленной реакции, и это приводит к тому, что и в мотонейронах жабр, и в мотонейронах железы запускаются потенциалы действия и наряду с втягиванием жабр происходит выделение чернильной жидкости. Тем самым меняется характер поведения аплизии. Прикосновение к сифону вызывает изменение не только величины поведенческой реакции (амплитуды втягивания жабр), но и поведенческого репертуара животного.

Результаты исследований, показавшие, что нервная система аплизии физически изменяется под действием опыта, заставили нас задуматься, происходит ли то же самое и с нервной системой приматов. Изменяется ли под действием опыта человеческий мозг?

В пятидесятых годах, когда я был студентом-медиком, нас учили, что карта соматосенсорной коры, открытая Уэйдом Маршаллом, остается неизменной на протяжении всей жизни. Теперь мы знаем, что это не так. Она претерпевает постоянные изменения, определяемые опытом. Особенно подробно этот вопрос был освещен в двух исследованиях, проведенных в девяностые годы.

Первое провел Майкл Мерцених из Калифорнийского университета в Сан-Франциско. Он открыл, что у разных особей обезьян сенсорные карты коры существенно отличаются в деталях. Например, у некоторых из них кисти рук представлены в коре намного более обширными областями, чем у других. В первой работе по этому вопросу Мерцених не отделял действие опыта от генетической предрасположенности, поэтому не исключена была возможность того, что эти различия генетически предопределены.

Затем Мерцених провел дополнительные эксперименты, чтобы определить сравнительный вклад генов и опыта в эти различия. Он обучал обезьян добывать гранулы корма, прикасаясь указательным, средним и безымянным пальцами к вращающемуся диску. После нескольких месяцев тренировок области коры, связанные с этими пальцами, особенно с их кончиками, которыми обезьяна прикасалась к диску, существенно расширились (рис. 15–2). Одновременно увеличилась и тактильная чувствительность пальцев. Другие исследования показали, что тренировка различения цветов или форм тоже приводит к изменениям в анатомии мозга и улучшает навыки восприятия.

15–2. Сенсорные карты коры меняются под действием опыта. (По материалам статьи: Jenkins et al., 1990).

Второе исследование провели Томас Эльберт и его коллеги из Констанцского университета в Германии. Они сравнили томограммы головного мозга скрипачей и виолончелистов с томограммами мозга людей, не занимающихся музыкой. Музыканты, играющие на струнных инструментах, используют четыре пальца левой руки для модуляции звука струн. Пальцы правой руки, которая держит смычок, не задействованы в столь высокодифференцированных движениях. Эльберт обнаружил, что область коры, связанная с соответствующими четырьмя пальцами правой руки, у музыкантов такая же, как у немузыкантов, в то время как область, представляющая четыре пальца левой руки, в мозгу скрипачей и виолончелистов намного обширнее (более чем в два раза), чем в мозгу немузыкантов. Более того, у музыкантов, которые начали играть на скрипке или виолончели в возрасте до тринадцати лет, области коры, представляющие четыре пальца левой руки, обширнее, чем у музыкантов, которые взяли в руки инструмент после этого возраста.

Эти впечатляющие изменения коры головного мозга в результате обучения говорили о том, что закономерности, сходные с выявленными нами в анатомических исследованиях обучения у аплизии, проявляются и у других животных. Степень представленности какой-либо части тела в коре головного мозга зависит от интенсивности и сложности использования этой части тела. Кроме того, как показало исследование Эльберта, такие структурные изменения лучше проходят в ранние годы жизни. Поэтому, например, Вольфганг Амадей Моцарт стал великим музыкантом не только потому, что ему достались подходящие гены (хотя гены тоже важны), но и потому, что он начал тренировать навыки, которые принесли ему славу, в том возрасте, когда его мозг был более пластичным.

Кроме того, результаты наших экспериментов с аплизией показали, что пластичность нервной системы, то есть способность нейронов изменять силу и даже число синапсов, служит механизмом, лежащим в основе обучения и долго временной памяти. В результате, поскольку все люди растут в разных условиях и имеют разный опыт, устройство мозга каждого человека уникально. Даже у однояйцевых близнецов, у которых одинаковые гены, мозг все равно разный в связи с разным жизненным опытом. Так принцип клеточной биологии, впервые обнаруженный в ходе наших экспериментов с простым моллюском, оказался одной из глубоких биологических основ человеческой индивидуальности.

Наше открытие того, что кратковременная память возникает за счет функциональных изменений, а долговременная — за счет анатомических, поднимало новые вопросы. Какова природа консолидации памяти? Почему для этого требуется синтез новых белков? Чтобы узнать это, нам нужно было проникнуть внутрь клеток и исследовать их молекулярную структуру. Я и мои коллеги были готовы на этот шаг.

Как раз в то время мы узнали ужасную новость. Осенью 1973 года Олден Спенсер, мой лучший друг, вместе со мной основавший отделение нейробиологии Нью-Йоркского университета, начал жаловаться на слабость кистей рук, из-за которой он стал хуже играть в теннис. В течение нескольких месяцев ему поставили диагноз «боковой амиотрофический склероз» (БАС, или болезнь Шарко) — неизлечимая и всегда смертельная болезнь[24]. Узнав об этом от одного из ведущих неврологов страны, Олден впал в депрессию и стал готовить завещание, думая, что может умереть в течение недели. Но у Олдена был также артрит локтевого сустава — симптом, обычно не связанный с БАС. Поэтому я предложил ему пойти к ревматологу.

Олден пошел к очень хорошему врачу, и тот заверил его, что у него не БАС, а диффузная болезнь соединительной ткани (коллагеновая болезнь), что-то вроде красной волчанки. Когда Олден узнал этот, намного более оптимистичный, диагноз, его настроение улучшилось. Но через несколько месяцев он снова пришел к своему неврологу, и тот заверил его, что независимо оттого, есть у него артрит или нет, у него определенно БАС. Настроение Олдена сразу опять испортилось.

После этого я поговорил с его неврологом, сказал ему, что Олдену явно очень тяжело принять этот диагноз, и спросил, не может ли он помочь Олдену, подав ему какую-то надежду. Но невролог, в высшей степени достойный человек и заботливый врач, настаивал на том, что никак не может так поступить, потому что это значило бы обманывать Олдена относительно его будущего, что нечестно по отношению к нему. Он сказал: «Ведь мне нечего ему предложить. Ему просто незачем и не стоит приходить ко мне. Пусть продолжает ходить к своему ревматологу».

Я обсудил этот план с Олденом и независимо от него с его женой Дианой. Они оба решили, что это хорошая мысль. Диана была убеждена, что Олден не хочет принимать диагноз, который, как мы с ней признали, судя по всему, был верным.

В течение следующих двух с половиной лет Олдену постепенно становилось все хуже. Поначалу он передвигался с тростью, затем в инвалидном кресле. Но он все время продолжал посещать лабораторию и заниматься наукой. Несмотря на то что ему стало сложно читать лекции, он все равно преподавал, хотя и вел теперь меньше занятий. Никому из нашей группы, кроме меня, не был известен его настоящий диагноз, и никто не думал (по крайней мере, не говорил), что его болезнь — это не какая-то особая форма артрита. Олден продолжал заниматься спортом и регулярно плавал в специальном бассейне для инвалидов недалеко от дома. За день до смерти, в ноябре 1977-го, он был у себя в лаборатории и готовился участвовать в обсуждении, посвященном обработке сенсорной информации.

Смерть Олдена была сокрушительным ударом для каждого из нас, для всей нашей сплоченной группы. Мы лет двадцать общались с ним почти каждый день, поэтому теперь ритм моей жизни и работы надолго нарушился. Я по-прежнему часто думаю об Олдене.

В этом я был не одинок: мы все ценили его самоиронию, скромность, безграничное великодушие и неиссякаемые творческие способности. В 1978 году мы организовали в память о нем фонд, финансирующий курс лекций, и премию его имени, ежегодно вручаемую выдающимся ученым в возрасте до пятидесяти лет, у которых лучшие работы их жизни еще впереди. Лауреатов премии выбирает Центр нейробиологических и поведенческих исследований Колумбийского университета — сотрудники, магистранты и аспиранты, постдоки и преподаватели.

Первые годы после смерти Олдена наша работа успешно продолжалась, и со стороны можно было подумать, что все в порядке, но для меня лично это было очень тяжелое время. После Олдена в том же 1977 году умер мой отец, а в 1981-м — брат. Я принимал немало участия в заботах о них и после их смерти был не только подавлен и измотан психологически, но и обессилен физически. Большое облегчение мне всегда приносила возможность целиком сосредоточиться на работе. Непростые задачи, решения которых мы искали, и наши удивительные открытия были для меня в то время особенно ценным убежищем от горестных реалий повседневной жизни, связанных с этими невосполнимыми утратами.

Этот тяжелый период стал для меня еще горестнее в связи с отъездом сына Пола на учебу в колледж в 1979 году. Когда Полу было семь лет, я убедил его заняться шахматами и брать уроки тенниса, и впоследствии он стал неплохо играть и в то и в другое. Я томе играл в шахматы и мог поощрять его интерес к ладьям и коням. Но в теннис я не играл. Поэтому, когда мне было тридцать девять, я начал брать уроки и вскоре научился посредственно, но с удовольствием играть, что и продолжаю делать регулярно по сей день. С тех пор как Пол начал играть в теннис, он был одним из моих постоянных партнеров. К последнему классу средней школы он стал необычайно хорошим теннисистом и был моим единственным партнером. Его отъезд лишил меня не только сына, но и партнера по теннису и шахматам. Я начал чувствовать себя как Иов.

16. Молекулы и кратковременная память

В 1975 году, через двадцать лет после того, как Гарри Грундфест сказал мне, что мозг нужно исследовать по одной клетке, вместе с коллегами я приступил к изучению клеточных основ памяти, то есть механизмов, позволяющих нам на всю жизнь запоминать встречу с другим человеком, пейзаж, лекцию или диагноз. Нам удалось узнать, что память обеспечивается изменениями синапсов в нейронных цепях: кратковременная — функциональными изменениями, долговременная — структурными. Теперь нам хотелось проникнуть в тайну памяти еще глубже. Мы надеялись разобраться в молекулярной биологии психического явления и узнать, какие именно молекулы ответственны за кратковременную память. Задавшись этим вопросом, мы попали в совершенно неизведанную область.

Это предприятие казалось мне не таким уж безнадежным благодаря растущей уверенности в том, что аплизия — вполне подходящий простой объект для изучения молекулярных основ работы памяти. Мы проникли в лабиринт синаптических связей нервной системы аплизии, картировали нейронные проводящие пути ее рефлекса втягивания жабр и показали, что обеспечивающие этот рефлекс синапсы могут усиливаться в результате обучения. Мы в прямом смысле прокладывали путь по наружным кругам научного лабиринта. Теперь нам хотелось определить, где конкретно в исследованном нами проводящем пути происходят синаптические изменения, связанные с кратковременной памятью.

Мы сосредоточились на ключевой синаптической связи между сенсорным нейроном, передающим информацию о прикосновении к сифону моллюска, и мотонейроном, потенциал действия которого вызывает втягивание жабр. Нам хотелось узнать, какую роль играет каждый из двух нейронов, образующих эту связь, в связанном с обучением изменении синаптической силы. Изменяется ли в ответ на действие раздражителя сенсорный нейрон, так что окончание аксона выделяет больше или меньше нейромедиатора? Или изменение происходит в мотонейроне, так что на его мембране оказывается больше рецепторов нейромедиатора или повышается чувствительность этих рецепторов? Мы выяснили, что происходящие изменения носят вполне односторонний характер: при кратковременном привыкании, действие которого продолжается минуты, сенсорный нейрон выделяет меньше нейромедиатора, а при кратковременной сенсибилизации — больше.

Нейромедиатором, как мы впоследствии выяснили, в данном случае служит глутаминовая кислота (глутамат), которая также является важнейшим возбуждающим нейромедиатором головного мозга млекопитающих. Увеличивая количество глутамата, посылаемого сенсорным нейроном мотонейрону; сенсибилизация усиливает синаптический потенциал, возникающий при этом в мотонейроне, тем самым облегчая запускание потенциала действия, который приводит к втягиванию жабр.

Синаптический потенциал в моторном нейроне длится всего миллисекунды, но мы отметили, что удар током в заднюю часть тела аплизии усиливает выделение глутамата и тем самым синаптическую передачу на многие минуты. Как это происходит? Когда мы с коллегами сосредоточились на этом вопросе, мы заметили необычную вещь. Усиление синаптической связи между сенсорным нейроном и мотонейроном сопровождается очень медленным синаптическим потенциалом в сенсорной клетке, который длится минуты, а не миллисекунды, как это обычно бывает с синаптическим потенциалом в мотонейроне. Вскоре мы обнаружили, что удар током вызывает активацию другой разновидности сенсорных нейронов, получающих информацию от задней части тела аплизии. Эти сенсорные нейроны задней части тела активируют группу интернейронов, которые действуют на сенсорные нейроны, ведущие от сифона. Именно они и производят тот необычайно медленный синаптический потенциал. Затем мы задались следующими вопросами: какой нейромедиатор выделяют интернейроны? Как этот нейромедиатор вызывает выделение большего количества глутамата из окончаний сенсорного нейрона, тем самым обеспечивая хранение кратковременной памяти?

Мы обнаружили, что интернейроны, активируемые ударом тока в заднюю часть тела аплизии, выделяют нейромедиатор серотонин. Кроме того, эти интернейроны образуют синапсы и с телами клеток сенсорных нейронов, и с их пресинаптическими окончаниями и не только вызывают медленный синаптический потенциал, но и увеличивают выделение сенсорным нейроном глутамата в синаптическую щель, соединяющую его с мотонейроном. Более того, воздействуя серотонином на синаптические связи между сенсорными нейронами и мотонейронами, мы и сами могли вызывать медленный синаптический потенциал, увеличение синаптической силы и усиление рефлекса втягивания жабр.

Мы назвали эти выделяющие серотонин интернейроны модуляторными интернейронами, потому что они служат не для непосредственного обеспечения поведенческой реакции, а для модуляции рефлекса втягивания жабр за счет усиления связей сенсорных нейронов с мотонейронами.

Благодаря этим открытиям мы поняли, что существует два типа нейронных цепей, играющих важную роль в поведении и обучении: основные цепи, исследованные нами ранее, и модуляторные, которые мы еще только начинали подробно исследовать (рис. 16–1). Основные цепи служат для непосредственного обеспечения поведенческих реакций, значит, имеют кантианскую природу. Это предопределенные генетикой и механизмами развития нейронные компоненты поведения, его нейронное устройство. Основные цепи состоят из сенсорных нейронов, иннервирующих сифон, интернейронов и мотонейронов, управляющих рефлексом втягивания жабр. В ходе обучения основная цепь играет роль ученика, приобретающего новые знания. Модуляторные цепи, в свою очередь, имеют локковскую природу. Модуляторная цепь играет роль учителя. Она служит не для непосредственного обеспечения поведенческой реакции, но для точной настройки этой реакции в процессе обучения за счет гетеросинаптической модуляции силы связей сенсорных нейронов с мотонейронами. Модуляторная цепь, активируемая ударом тока в заднюю часть тела, учит аплизию обращать внимание на прикосновение к сифону, что может оказаться важным для ее безопасности. Таким образом, эта цепь, по сути, обеспечивает у аплизии состояние стресса, подобно аналогичным модуляторным цепям, которые служат неотъемлемыми компонентами механизма памяти у более сложных животных, в чем нам еще предстоит убедиться.

16–1. Два типа нейронных цепей в нервной системе. Основные цепи обеспечивают поведенческие реакции, а модуляторные воздействуют на основные, регулируя силу их синаптических связей.

Меня поразило, что роль модулятора сенсибилизации у аплизии играет именно серотонин! Одни из моих первых экспериментов, проведенных в 1956 году под руководством Дома Пурпуры, были посвящены действию серотонина. Более того, весной 1956 года в День студента в медицинской школе Нью-Йоркского университета я выступая с небольшим докладом на тему «Электрофизиология взаимодействия серотонина и ЛСД в афферентных проводящих путях коры головного мозга». Джимми Шварц любезно согласился выслушать репетицию этого доклада и помог мне его улучшить. Я начинал понимать цикличность жизни. Я не занимался серотонином почти двадцать лет и вот возвращался к нему с возобновленным интересом и увлеченностью.

Когда нам стало известно, что серотонин действует как модуляторный медиатор, увеличивая выделение глутамата из пресинаптических окончаний сенсорного нейрона, все было готово для биохимического исследования работы памяти. По счастью, на этом пути у меня был такой отличный проводник и напарник, как Джимми Шварц.

До своего возвращения в Нью-Йоркский университет Джимми работал в Рокфеллеровском университете с бактерией кишечной палочкой (Escherichia coli) — одноклеточным организмом, исследования которого позволили открыть многие фундаментальные принципы современной биохимии и молекулярной биологии. В 1966 году он переключился на аплизию и начал свои исследования этого организма с выявления химических медиаторов, выделяемых нейронами абдоминального ганглия. С 1971 года мы объединили усилия, чтобы исследовать молекулярные процессы, сопровождающие обучение.

Джимми оказал мне неоценимую помощь на этом втором большом этапе моего становления как биолога. На наши исследования повлияли работы Луиса Флекснера, показавшего за несколько лет до этого, что долговременная память у мышей и крыс требует синтеза новых белков, а кратковременная память не требует. Белки — главные работники клетки. Они составляют ее ферменты, ионные каналы, рецепторы и систему транспорта. Поскольку, как мы выяснили, в долговременной памяти задействовано образование новых связей, не было ничего удивительного в том, что для образования этих связей требуется синтез новых белков.

Мы с Джимми занялись проверкой этой идеи на аплизии — на уровне сенсорного нейрона сифона и его синапсов на мотонейронах жабр. Если синаптические изменения сопровождают изменения памяти, то выявленные нами кратковременные синаптические изменения не должны требовать синтеза новых белков. Именно это мы и обнаружили. Что же тогда обеспечивает эти кратковременные изменения?

Кахаль показал, что нервная система состоит из нейронов, специфическим образом связанных друг с другом проводящими путями. Я наблюдал эту удивительную специфичность связей в простых нейронных цепях, обеспечивающих рефлекторное поведение у аплизии. Но Джимми отметил, что эта специфичность распространяется и на молекулы — соединения атомов, которые служат функциональными элементами клетки. Биохимики установили, что молекулы могут взаимодействовать друг с другом в пределах клетки и что происходящие при этом химические реакции связаны в определенные последовательности, которые называют биохимическими сигнальными путями. Такие пути передают информацию в виде молекул от поверхности клетки в ее внутреннюю среду; подобно тому как нервные клетки передают информацию друг другу. Но это «беспроводные» пути. Молекулы, плавающие внутри клетки, распознаются другими специфическими молекулами и связываются с ними, регулируя их активность.

Мы не только реализовали мой давний замысел поймать выработанную в ходе обучения реакцию в наименьшей возможной популяции нейронов, мы также поймали один из компонентов простой формы памяти в единственной сенсорной клетке. Но даже в единственном нейроне аплизии содержатся тысячи различных белков и других молекул. Какие из них отвечают за кратковременную память? Когда мы с Джимми начали обсуждать, как это можно узнать, мы сосредоточились на идее, что серотонин, выделяемый в ответ на электрический удар, может увеличивать выделение глутамата из сенсорного нейрона, запуская в нем особую последовательность биохимических реакций.

Последовательность биохимических реакций, которую мы искали, должна была служить двум принципиальным целям. Во-первых, эти реакции должны были преобразовывать непродолжительное воздействие серотонина в молекулы, сигнал которых сохранялся бы внутри сенсорного нейрона в течение минут. Во-вторых, молекулы должны были передавать сигнал от клеточной мембраны, на которую действует серотонин, во внутреннюю среду клетки — в особые участки окончаний аксона, задействованные в выделении глутамата. Мы подробно изложили эти мысли в своей статье 1971 года, опубликованной в Journal of Neurophysiology, и высказали предположение, что в этом процессе могут быть задействованы молекулы одного особого вещества — так называемого циклического АМФ.

Что такое циклический АМФ? И почему мы сочли его вероятным претендентом на эту роль? Мне пришел в голову именно циклический АМФ в связи с тем, что было известно: небольшие молекулы этого вещества служат важнейшими регуляторами передачи сигналов в мышечных и жировых клетках. Мы с Джимми знали, что природа консервативна, поэтому механизм, используемый в клетках одной ткани, с большой вероятностью сохранится и будет использоваться в клетках другой. Эрл Сазерленд из Западного резервного университета Кейса в Кливленде в то время уже обнаружил, что гормон адреналин (эпинефрин) вызывает непродолжительные биохимические изменения на поверхности мембраны жировых и мышечных клеток, приводя к более продолжительным изменениям внутри клеток. Эти более продолжительные изменения происходят за счет повышения содержания циклического АМФ во внутренней среде клеток.

Революционные открытия Сазерленда были впоследствии описаны так называемой теорией вторичных посредников (вторичных мессенджеров). Основой этой теории биохимической передачи сигналов в клетках стало открытие на поверхности жировых и мышечных клеток нового класса рецепторов, реагирующих на гормоны. Бернард Кац ранее описал медиатор-зависимые рецепторы, которые относятся к так называемым ионотропным рецепторам. Когда с таким рецептором связывается нейромедиатор, он открывает или закрывает ворота проходящего сквозь этот рецептор ионного канала, тем самым преобразуя химический сигнал в электрический. Но в рецепторах нового типа, так называемых метаботропных, нет ионного канала, который они могли бы открывать и закрывать. Один участок этих рецепторов, выступающий из наружной поверхности клеточной мембраны, опознает сигналы, приходящие от других клеток, а второй участок, выступающий из внутренней поверхности мембраны, запускает работу определенного фермента. Когда такие рецепторы опознают и связывают молекулы химического посредника из внеклеточной жидкости, они активируют работающий внутри клетки фермент аденилатциклазу, который вырабатывает циклический АМФ.

У этого процесса есть преимущество — он позволяет многократно усиливать клеточную реакцию. Когда одна молекула химического посредника связывается с метаботропным рецептором, он активирует аденилатциклазу, которая производит тысячи молекул циклического АМФ. Затем циклический АМФ связывается с особыми белками, запускающими во всей клетке целый ряд молекулярных реакций. При этом аденилатциклаза продолжает вырабатывать циклический АМФ в течение минут. Поэтому метаботропные рецепторы обычно действуют сильнее, шире и дольше, чем ионотропные. Действие ионотропных рецепторов обычно продолжается миллисекунды, а действие метаботропных — секунды или минуты, то есть в тысячи или десятки тысяч раз дольше.

Чтобы отличать две разделенные в пространстве функции метаботропных рецепторов, Сазерленд назвал химический посредник, который связывается с рецептором на наружной стороне клеточной мембраны, первичным, а циклический АМФ, вырабатываемый внутри клетки для передачи сигнала, вторичным. Сазерленд доказывал, что вторичный посредник передает внутрь клетки сигнал, поступающий от первичного, на мембрану и вызывает реакцию на этот сигнал по всей клетке (рис. 16–2). Представление о вторичных посредниках заставило нас предположить, что метаботропные рецепторы и циклический АМФ могут оказаться теми неуловимыми факторами, которые обеспечивают связь медленного синаптического потенциала сенсорных нейронов с усиленным выделением глутамата, тем самым обеспечивая работу кратковременной памяти.

16–2. Два типа рецепторов, выделенных Сазерлендом. Ионотропные рецепторы (слева) вызывают изменения, которые длятся миллисекунды. Метаботропные рецепторы (например, рецепторы серотонина) действуют через вторичных посредников (справа). Они вызывают изменения, которые длятся секунды или минуты и передаются по всей клетке.

В 1968 году Эдвин Кребс из Вашингтонского университета получил первые данные о том, как циклический АМФ производит свое широкое действие. Циклический АМФ связывается с ферментом, который Кребс назвал АМФ-зависимой протеинкиназой или протеинкиназой А (потому что это была первая известная протеинкиназа). Киназы видоизменяют белки, присоединяя к ним молекулу фосфата; этот процесс называют фосфорилированием. Фосфорилирование активирует одни белки, но инактивирует другие. Кребс обнаружил, что фосфорилирование вполне обратимо и может служить простым молекулярным переключателем, включая и выключая биохимическую активность белка.

Затем Кребс стал разбираться с тем, как работает этот молекулярный переключатель. Он открыл, что протеинкиназа А представляет собой сложную молекулу, состоящую из четырех единиц — двух регуляторных и двух каталитических. Каталитические единицы устроены так, что могут осуществлять фосфорилирование, но регуляторные обычно «сидят» на них, подавляя их работу. У регуляторных единиц имеются участки, которые связывают циклический АМФ. Когда концентрация циклического АМФ в клетке увеличивается, регуляторные единицы протеинкиназы А связывают избыточные молекулы. Это приводит к изменению их формы, вызывая отпадение от каталитических единиц, которые получают возможность фосфорилировать белки-мишени.

Представление об этом помогло нам задаться ключевым вопросом, специфичен ли открытый Сазерлендом и Кребсом механизм для действия гормонов на жировые и мышечные клетки или он может включать и иных посредников, таких как нейромедиаторы нервной системы. Если так, то это будет пример ранее неизвестного механизма синаптической передачи.

Здесь нам помогли работы Пола Грингарда — одаренного биохимика, получившего также физиологическое образование, который недавно перешел в Йельский университет с должности директора отделения биохимии исследовательских лабораторий фармацевтической компании Geigy. По дороге в Йель он задержался на год на отделении Сазерленда. Осознав важность возможного нового механизма передачи сигналов в нервной системе, в 1970 году Грингард начал разбираться с метаботропными рецепторами в мозгу крысы. Тут произошло одно замечательное совпадение, связавшее Арвида Карлссона, Пола Грингарда и меня на нашем научном пути, который в 2000 году привел нас троих в Стокгольм, где мы разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за исследование передачи сигналов в нервной системе.

В 1958 году Арвид Карлссон, великий шведский фармаколог, открыл, что дофамин играет в нервной системе роль медиатора. Затем он показал, что, когда в организме кролика снижается концентрация дофамина, у животного развиваются симптомы, напоминающие болезнь Паркинсона. Когда Грингард стал изучать метаботропные рецепторы головного мозга, он начал с рецептора дофамина и обнаружил, что этот рецептор включает фермент, который увеличивает содержание циклического АМФ и активирует протеинкиназу А в мозгу!

Пойдя по их стопам, мы с Джимми Шварцем открыли, что серотонин в ходе сенсибилизации тоже запускает работу циклического АМФ как вторичного посредника. Как мы уже убедились, удар током по задней части тела аплизии вызывает активацию модуляторных иитернейронов, которые выделяют серотонин. Серотонин, в свою очередь, на несколько минут увеличивает синтез циклического АМФ в пресинаптических окончаниях сенсорных нейронов (рис. 16–3). Итак, все сходилось: концентрация циклического АМФ остается повышенной примерно столько же, сколько длятся медленный синаптический потенциал, повышение синаптической силы связи сенсорных нейронов с мотонейронами и усиленная поведенческая реакция животного, вызванная электрическим ударом по его телу.

16–3. Этапы работы биохимического механизма долгосрочной памяти. Электрический удар по задней части тела аплизии вызывает активацию иитернейрона, который выделяет в синаптическую щель химический посредник серотонин. Преодолев синаптическую щель, серотонин связывается с рецептором на мембране сенсорного нейрона, запуская синтез циклического АМФ (1). Циклический АМФ вызывает отделение каталитической единицы протеинкиназы А (2). Каталитическая единица протеинкиназы А усиливает выделение нейромедиатора глутамата (3).

Первое прямое подтверждение того, что циклический АМФ задействован в формировании кратковременной памяти, было получено в 1976 году, после того как в нашу лабораторию пришел постдок из Италии Марчелло Брунелли. Брунелли осуществил проверку того, что повышение концентрации циклического АМФ в сенсорных нейронах, сигналом для которого служит серотонин, приводит к увеличению количества глутамата, выделяемого из окончаний этих нейронов. Мы вводили циклический АМФ непосредственно в сенсорный нейрон аплизии и обнаружили, что это вызывало резкое повышение количества выделяемого глутамата, а следовательно, и силу синаптической связи сенсорного нейрона с мотонейронами. Более того, введение в клетку циклического АМФ вызывало такое же повышение синаптической силы, как при воздействии серотонином на сенсорные нейроны или при воздействии током на заднюю часть тела животного. Этот замечательный эксперимент не только показал роль циклического АМФ в кратковременной памяти, но и дал нам первые сведения о молекулярных механизмах обучения. Теперь, когда мы научились улавливать основные молекулярные компоненты кратковременной памяти, мы могли использовать их для искусственной имитации формирования памяти.

В 1978 году мы с Джимми начали сотрудничать с Грингардом. Нам хотелось узнать, действует ли циклический АМФ на кратковременную память посредством протеинкиназы А. Мы разделили этот белок на составляющие и ввели непосредственно в сенсорный нейрон только каталитическую единицу, которая в норме и осуществляет фосфорилироеание. Выяснилось, что эта единица делает то же, что циклический АМФ: усиливает синаптическую связь, увеличивая выделение глутамата. Затем, чтобы лишний раз убедиться, что мы на верном пути, мы ввели в сенсорный нейрон ингибитор протеинкиназы А и обнаружили, что он действительно препятствует увеличению выделения глутамата под действием серотонина. Заметив, что присутствие циклического АМФ и протеинкиназы А не только необходимо, но и достаточно для усиления связи сенсорного нейрона с мотонейронами, мы смогли выявить первые звенья цепи биохимических событий, ведущих к формированию кратковременной памяти (рис. 16–4).

16–4. Молекулы, задействованные в формировании кратковременной памяти. Если воздействовать на окончание сенсорного нейрона (1), вводить в него циклический АМФ (2) или каталитическую единицу протеинкиназы А (3), это вызывает усиленное выделение нейромедиатора глутамата, что заставляет предположить, что все три вещества принимают участие в последовательности реакций, обеспечивающих кратковременную память.

Однако это еще ничего не говорило нам о том, как серотонин и циклический АМФ вызывают медленный синаптический потенциал и как этот потенциал связан с усилением выделения глутамата. В 1980 году в Париже, где я проводил серию семинаров в Коллеж де Франс, я познакомился со Стивеном Зигельбаумом. Стив был технически одаренным молодым биофизиком и специализировался на изучении свойств отдельных ионных каналов. Мы быстро нашли общий язык. Как выяснилось, судьбе было угодно, чтобы он незадолго до этого согласился перейти на работу на отделение фармакологии Колумбийского университета. Поэтому мы решили объединить усилия в Нью-Йорке и вместе исследовать биофизическую природу медленного синаптического потенциала.

Стив открыл одну из мишеней циклического АМФ и протеинкиназы А — калиевый ионный канал в мембране сенсорных нейронов, реагирующий на серотонин. Мы назвали его S-каналом, потому что он реагирует на серотонин и потому что его открыл Стив Зигельбаум. Этот канал открыт, когда нейрон находится в состоянии покоя, и принимает участие в поддержании потенциала покоя на его мембране. Стив выяснил, что канал присутствует в пресинаптических окончаниях и что можно вызывать его закрывание, либо воздействуя на клетку снаружи серотонином (первичным посредником), либо вводя внутрь клетки циклический АМФ (вторичный посредник) или протеинкиназу А. Закрывание калиевых каналов вызывает медленный синаптический потенциал, который когда-то и привлек наше внимание к циклическому АМФ.

Закрывание каналов также способствует усилению выделения глутамата. Когда эти каналы открыты, они вместе с другими калиевыми каналами принимают участие в поддержании мембранного потенциала покоя, а также в выходе калия из клетки во время реполяризации при потенциале действия. Но когда серотонин закрывает эти каналы, ионы калия выходят из клетки не так быстро, из-за чего продолжительность потенциала действия немного увеличивается за счет замедления реполяризации. Стив показал, что такое замедление потенциала действия дает кальцию больше времени на поступление в пресинаптические окончания, а кальций, как было показано Кацем в его экспериментах с гигантским синапсом кальмара, необходим для выделения глутамата. Кроме того, циклический АМФ и протеинкиназа А действуют непосредственно на аппарат, который обеспечивает слияние синаптических пузырьков с мембраной, тем самым еще больше увеличивая выделение глутамата.

К этим замечательным результатам, касающимся циклического АМФ, вскоре добавились важные результаты генетических исследований обучения у плодовых мух, ставших популярным подопытным животным за полвека с лишним до этого. В 1907 году Томас Морган, работавший в Колумбийском университете, начал использовать плодовую мушку дрозофилу в качестве модельного организма для генетических исследований — в связи с ее маленькими размерами и коротким репродуктивным циклом (двенадцать дней). Выбор оказался удачным, потому что у дрозофилы только четыре пары хромосом (у человека — двадцать три пары), благодаря чему проводить на ней генетические исследования сравнительно легко. Людям давно было очевидно, что многие физические характеристики животных (такие как форма тела, цвет глаз или скорость передвижения) наследуются. Но могут ли наследоваться психические характеристики, определяемые мозгом? Играют ли гены какую-то роль в психических явлениях, таких как память?

Первым, кто занялся изучением этого вопроса, используя современные методы, был Сеймур Бензер, сотрудник Калифорнийского технологического института. В 1967 году он начал серию блестящих экспериментов, в ходе которых дрозофил обрабатывали специальными веществами, вызывающими у них в отдельных генах случайные мутации, то есть наследственные изменения. Затем Бензер исследовал воздействие этих мутаций на обучение и память. Для изучения памяти у дрозофилы его ученики Чип Куинн и Ядин Дудай использовали классический метод выработки условного рефлекса. Они сажали мух в небольшую камеру и последовательно воздействовали на них двумя пахучими веществами. Затем в присутствии первого вещества на них действовали электрическими ударами, обучая избегать этого запаха. Потом мух помещали в другую камеру, в которой источники тех же двух запахов находились на противоположных концах. Обученные мухи избегали конца камеры, откуда исходил запах первого вещества, и устремлялись в другой, где находился источник второго запаха.

С помощью этого метода обучения Куинн и Дудай могли выявлять мух, лишенных способности запомнить, что запах первого вещества предвещает электрический удар. К 1974 году они испытали тысячи мух и выявили первого мутанта с нарушением кратковременной памяти. Бензер назвал этого мутанта dunce (тупица). В 1981 году Дункан Байерс, другой ученик Бензера, пойдя по стопам наших работ с аплизией, занялся изучением сигнального пути с участием циклического АМФ у мутантов dunce и обнаружил у них мутацию в гене, ответственном за утилизацию циклического АМФ. В результате в организме этих мутантов накапливается слишком много циклического АМФ, из-за чего, как можно предположить, их синапсы усиливаются до предела, что делает их нечувствительными к дальнейшим изменениям, и они не могут нормально функционировать. Впоследствии были выявлены и другие мутации в генах памяти. Они тоже оказались связаны с сигнальным путем с участием циклического АМФ.

Взаимодополняющие результаты, полученные в экспериментах с аплизией и дрозофилой (двумя очень непохожими подопытными животными, у которых исследовали разные формы обучения, используя разные подходы), были более чем обнадеживающими. Вместе они свидетельствовали, что механизмы, лежащие в основе простых форм имплицитной памяти, судя по всему, одинаковы у многих видов животных, в том числе у людей, причем для разных форм обучения, — в связи с тем, что эти механизмы эволюционно консервативны. Биохимия, а за ней и молекулярная биология, становилась мощными орудиями поиска общих черт биологического устройства разных организмов.

Эти открытия, сделанные на аплизии и дрозофиле, служили также дополнительным подтверждением важного биологического принципа: для создания новых адаптивных механизмов эволюции не требуется новых, специализированных молекул. Сигнальный путь с участием циклического АМФ задействован отнюдь не только в работе памяти. Как показал Сазерленд, он задействован даже не только в нейронах: и в кишечнике, и в почках, и в печени этот путь служит для обеспечения продолжительных метаболических изменений. Более того, из всех известных систем с использованием вторичных посредников система с циклическим АМФ, возможно, самая примитивная. Это важнейшая, а в некоторых случаях единственная система с использованием вторичных посредников, обнаруженная у одноклеточных организмов, таких как кишечная палочка, у которой циклический АМФ служит для сигнализации голода. Таким образом, биохимические процессы, лежащие в основе памяти, не были выработаны для выполнения именно этой функции. Наоборот, нейроны задействовали уже имеющуюся эффективную систему сигнализации, выполнявшую в других клетках иные функции, и стали использовать ее для обеспечения изменений синаптической силы, требуемых для формирования памяти.

Как отмечал специалист по молекулярной генетике Франсуа Жакоб, эволюция — не самобытный дизайнер, который ищет для новых проблем оригинальные решения. Эволюция — кустарь, работающий с подручными материалами. Она вновь и вновь немного по-разному использует одни и те же наборы генов. Она работает, варьируя существующие условия и просеивая случайные мутации в структуре генов, в результате которых возникают немного другие варианты белков и немного другие способы их использования в клетках. Большинство мутаций нейтрально или даже вредно и не выдерживает испытания временем. Только те редкие мутации, которые повышают шансы организма на выживание и размножение, с большой вероятностью сохраняются. Вот что пишет об этом Жакоб: «Работу естественного отбора нередко сравнивают с работой инженера. Однако это сравнение представляется неудачным. Во-первых <…> инженер работает в соответствии с заранее намеченным планом. Во-вторых, разрабатывая новую структуру, он не обязательно берет за основу какие-то старые структуры. Электрическая лампочка произошла не от свечки, а реактивный двигатель — не от двигателя внутреннего сгорания. <…> Наконец, новые объекты, выпускаемые инженером (по крайней мере, хорошим инженером), достигают пределов совершенства, которые возможны на основе технологий данного времени. Эволюция, в отличие от инженера, не делает ничего нового на пустом месте. Она работает с тем, что уже имеется, преобразуя ту или иную систему для выполнения новой функции или соединяя несколько систем, чтобы получить новую, более сложную. Если уж сравнивать с чем-то работу эволюции, придется признать, что она похожа на труд не столько инженера, сколько кустаря — bricolage, как мы говорим по-французски. Работа инженера зависит от того, имеются ли в его распоряжении сырье и инструменты, в точности соответствующие проекту, в то время как кустарь обходится чем придется. <…> Он пользуется всем, что окажется под рукой: старыми картонками, обрезками веревки, деревяшками и железками, — и делает из них какой-никакой рабочий предмет. Кустарь может подобрать какой-нибудь предмет, оказавшийся у него в запасе, и найти ему неожиданное применение. Из старого автомобильного колеса он может сделать вентилятор, а из сломанного столика — зонтик от солнца».

У живых организмов новые способности вырабатываются за счет незначительных изменений в молекулах уже имеющихся веществ и настройки их взаимодействия с другими имеющимися веществами. Психические процессы, свойственные человеку, долгое время считались не имеющими аналогов, поэтому некоторые ранние исследователи мозга ожидали, что найдут в глубинах нашего серого вещества много новых типов белков. На деле же наука обнаружила у нас в мозгу на удивление мало белков, не имеющих никаких аналогов, и не нашла ни одной уникальной для мозга системы сигнализации. Почти у всех белков мозга есть родственные им белки, выполняющие сходные функции в других клетках тела. Это относится даже к белкам, задействованным в процессах, которые происходят только в мозгу, например к белкам-рецепторам нейромедиаторов. Все живое, в том числе основание наших мыслей и воспоминаний, построено из одних и тех же структурных элементов.

Я подвел итоги первых сложившихся в систему открытий из области клеточной биологии кратковременной памяти в книге под названием «Клеточные основы поведения»[25], опубликованной в 1976 году. В этой книге я подробно высказал (почти в форме манифеста), что для того, чтобы разобраться в поведении, необходимо применять радикальный редукционистский подход того же типа, что показал себя столь эффективным в других областях биологии. Примерно в то же время Стив Куффлер и Джон Николлс опубликовали книгу «От нейрона к мозгу»[26], в которой подчеркивали огромные возможности клеточного подхода в нейробиологии. Пользуясь данными клеточной биологии, они рассказывали о том, как работают нейроны, как они образуют цепи в мозгу, а я — о связи поведения с мозгом. Стив тоже чувствовал эту связь и понимал, что нейробиология находится на пороге нового серьезного шага вперед.

Поэтому я был особенно рад, когда в августе 1980 года нам со Стивом представилась возможность совершить совместное путешествие. Нас обоих пригласили в Вену на церемонию приема в почетные члены Австрийского физиологического общества. Стив бежал из Вены в 1938 году. Сотрудникам медицинского факультета Венского университета нас представлял Вильгельм Ауэрсвальд — претенциозный профессор, мало сделавший в науке, который вел себя так, будто в причинах, вызвавших бегство двух сынов Вены из Австрии, не было ничего необычного. Он преспокойно сообщил, что Куффлер учился в Вене на медицинском факультете, а я жил на Северингассе — буквально в двух шагах от университета. Молчание, которым он обошел то, что на самом деле случилось с нами, говорило о многом. Ни Стив, ни я ничего не сказали в ответ на его слова.

Через два дня из Вены мы отправились на теплоходе вниз по Дунаю, в Будапешт, где приняли участие в Международном физиологическом конгрессе. Это была последняя серьезная конференция в жизни Стива. Он прочитал превосходный доклад. Вскоре после этого, в октябре 1980 года, он умер от сердечного приступа, случившегося после большого заплыва, в своем доме в Вудс-Хоул в штате Массачусетс, куда он приезжал на выходные.

Как и большинство коллег-нейробиологов, я был потрясен этой новостью. Мы все были многим обязаны Стиву и в чем-то зависели от него. Джек Макмахан, один из вернейших его учеников, описал то, что многие из нас почувствовали: «Как он мог с нами там поступить?»

В тот год я был председателем Нейробиологического общества и возглавлял оргкомитет, отвечавший за ежегодный ноябрьский симпозиум. Он проходил в Лос-Анджелесе всего через несколько недель после смерти Стива и на него собралось около десяти тысяч нейробиологов. Дэвид Хьюбел прочитал на этом симпозиуме замечательный доклад памяти Стива. Он показывал слайды и рассказывал о том, каким глубоким, проницательным и великодушным человеком был Стив, как много он значил для всех нас. Думаю, никто из наших американских коллег с тех пор не имел такого влияния и не снискал такой всеобщей любви, как Стив. Джек Макмахан организовал издание книги в память о нем. Я писал в ней: «Готовя этот раздел, я чувствую, что Стив во многом по-прежнему с нами. После Олдена Спенсера у меня нет другого коллеги, о котором я думал бы больше, чем о нем, и которого мне бы так же не хватало».

Смерть Стива Куффлера означала конец целой эпохи — эпохи, когда сообщество нейробиологов было еще сравнительно небольшим и его деятельность сосредоточивалась на клетке как единице устройства мозга. Смерть Стива совпала со слиянием нейробиологии с молекулярной биологией — событием, которое резко расширило область приложения нейробиологии и увеличило число ученых, работающих в этой области. Изменения отразились и на моей работе: в 1980 году мои клеточные и биохимические исследования обучения и памяти были уже близки к завершению. К тому времени мне стало ясно, что повышение концентрации циклического АМФ и усиление выделения медиатора, вызываемые серотонином в ответ на единственное обучающее событие, длятся лишь минуты. В продолжительном усилении связей, которое длится дни и недели, должно быть задействовано что-то еще — возможно, изменения в экспрессии генов, а также анатомические изменения. Поэтому я обратился к изучению генов.

Я был готов к этому. Долговременная память уже начала занимать мое воображение. Как человеку удается на всю жизнь запоминать события детства? Мать Дениз, Сара Бистрен, от которой Дениз и ее брат Жан-Клод, а также их супруги И дети унаследовали вкус к декоративному искусству (мебели, вазам и лампам в стиле ар-нуво), редко говорила со мной о моей научной работе. Но, должно быть, она как-то почувствовала, что я готов был заняться генами и долговременной памятью.

На мой день рождения 7 ноября 1979 года, когда мне исполнилось пятьдесят, она купила мне прекрасную вазу в венском стиле, изготовленную в городе Теплице (рис. 16–5), и подарила ее вместе с надписью следующего содержания:

«Дорогой Эрик!

Эта ваза из Теплице, вид Венского леса, ностальгия, которую излучают деревья, цветы, свет, закат, принесут тебе память былых времен — воспоминания о твоем детстве. И когда ты будешь пробегать вдоль леса в Ривердейле, ностальгия по венскому лесу охватит тебя и ненадолго заставит забыть о событиях твоей повседневной жизни.

С любовью, Сара»

Так Сара Бистрен сформулировала мою задачу.

16–5. Ваза из города Теплице (Из архива Эрика Канделя).

17. Долговременная память

Размышляя над результатами генетических исследований бактерий, Франсуа Жакоб выделил две разновидности научной работы: дневную и ночную. Дневная наука рациональна, логична и прагматична и движется вперед за счет строго спланированных экспериментов. «Дневная наука использует умозаключения, сцепленные друг с другом как шестерни, и получает результаты, полагаясь на силу определенности», — писал Жакоб. Ночная, напротив, «представляет собой мастерскую возможного, где вырабатываются будущие строительные материалы науки. Где гипотезы принимают форму смутных предчувствий, неясных ощущений».

К середине восьмидесятых я почувствовал, что наши исследования кратковременной памяти у аплизии приближаются к границе, за которой начинается дневная наука. Нам удалось найти нейроны и синапсы, обеспечивающие простые определяемые обучением реакции у аплизии, и установить, что кратковременная память в ходе обучения формируется за счет временных изменений силы существующих синаптических связей между сенсорными нейронами и мотонейронами. Эти кратковременные изменения обеспечиваются белками и другими веществами, уже имеющимися в синапсе. Мы выяснили, что циклический АМФ и протеинкиназа А усиливают выделение глутамата окончаниями сенсорных нейронов и что его усиленное выделение служит ключевым элементом формирования кратковременной памяти. Короче говоря, аплизия давала нам экспериментальный объект, молекулярными компонентами которого мы могли осмысленно манипулировать.

Но оставалась еще одна тайна молекулярной биологии хранения памяти — как кратковременные воспоминания преобразуются в устойчивые долговременные. Эта тайна стала для меня предметом ночной науки: мечтательных размышлений, не связанных друг с другом мыслей и многомесячных раздумий о том, как искать решение проблемы с помощью экспериментов дневной науки.

Мы с Джимми Шварцем установили, что формирование долговременной памяти зависит от синтеза новых белков. Мне интуитивно казалось, что истоки долговременной памяти, в которой задействованы длительные изменения синаптической силы, нужно искать в изменениях генетического аппарата сенсорных нейронов. Последовать этому смутному замыслу значило увести наши исследования формирования памяти еще дальше в молекулярные лабиринты нейрона — в клеточное ядро, где находятся гены и где регулируется их активность.

Во время ночных размышлений я мечтал о том, чтобы сделать следующий шаг, воспользовавшись недавно разработанными методами молекулярной биологии, чтобы прислушаться к диалогу между генами сенсорных нейронов и их синапсами. Время для этого шага было самое благоприятное. К 1980 году молекулярная биология стала главной объединяющей силой в биологии. Вскоре ей предстояло распространить влияние на нейробиологию и принять участие в создании новой науки о психике.

Как случилось, что молекулярная биология, особенно молекулярная генетика, стала такой важной наукой? Истоки молекулярной биологии и ее роли в науке восходят к пятидесятым годам XIX века, когда Грегор Мендель первым осознал, что наследственная информация передается от родителей потомкам в виде отдельных биологических единиц, которые мы называем генами. Примерно в 1915 году Томас Морган обнаружил, что у плодовых мух каждый ген расположен в хромосомах в определенном месте (локусе). В клетках мух и других высших организмов каждая хромосома имеется в двух экземплярах: один достается от матери, другой — от отца. Поэтому потомки получают по одному экземпляру каждого гена от каждого из своих родителей. В 1942 году Эрвин Шредингер, физик-теоретик австрийского происхождения, прочитал в Дублине курс лекций, который был впоследствии опубликован в виде книжки, озаглавленной «Что такое жизнь?». В ней Шредингер отмечал, что именно различия между генами отличают один вид животных от других, в том числе людей от других животных. Гены, как писал Шредингер, наделяют организмы их отличительными признаками. Они обеспечивают хранение закодированной биологической информации, ее копирование и надежную передачу из поколения в поколение. Поэтому хромосомы, удвоенные перед делением клетки, которые при этом расходятся, должны содержать точные копии всех генов исходных хромосом материнской клетки. Ключевой механизм жизни — хранение и передача биологической информации из поколения в поколение — осуществляется путем удвоения (репликации) хромосом и работы (экспрессии) генов.

Идеи Шредингера привлекли внимание физиков и привели некоторых из них в биологию. Кроме того, его идеи помогли превратить биохимию, одну из ключевых биологических наук, из дисциплины, занимающейся ферментами и преобразованиями энергии (то есть тем как клетки ее получают и используют), в дисциплину, занимающуюся преобразованиями информации (тем, как она копируется, передается и видоизменяется в клетках) Тогда стала ясна важность хромосом и генов как носителей биологической информации. К 1949 году стало понятно, что у ряда неврологических заболеваний, таких как хорея Хантингтона и болезнь Паркинсона, а также у некоторых психических заболеваний, в том числе у шизофрении и депрессии, есть генетические компоненты. Природа гена стала ключевым вопросом всей биологии, в том числе и для нейробиологии.

Какова природа генов? Из чего они состоят? В 1944 году Освальд Эвери, Маклин Маккарти и Колин Маклауд из Рокфеллеровского института совершили прорыв в этой области, установив, что гены состоят не из белков, как думали многие биологи, а из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

Девять лет спустя в номере журнала Nature от 25 апреля 1953 года Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик описали свою ставшую теперь классической модель структуры ДНК. С помощью рентгеновских снимков, сделанных специалистами по структурной биологии Розалиндой Франклин и Морисом Уилкинсом, Уотсон и Крик пришли к выводу, что ДНК состоит из двух длинных цепочек, завитых относительно друг друга в форме спирали. Зная, что каждая из цепочек этой двойной спирали составлена из маленьких повторяющихся звеньев четырех типов — так называемых нуклеотидов (аденина, тимина, гуанина и цитозина), Уотсон и Крик предположили, что с помощью них и записана содержащаяся в генах информация. Это предположение привело их к поразительному открытию, что две цепочки ДНК комплементарны, то есть каждый нуклеотид одной цепочки образует пару со строго определенным нуклеотидом другой: аденин (А) связывается только с тимином (Т), а гуанин (Г) — только с цитозином (Ц). Такие связи нуклеотидов по всей длине обеих цепочек и соединяют эти цепочки друг с другом.

Открытие Уотсона и Крика подвело молекулярную базу под идеи Шредингера и положило начало молекулярной биологии. В основе работы генов, как отмечал Шредингер, лежит репликация (копирование). Классическая статья Уотсона и Крика завершалась предложением, которое стало знаменитым: «От нашего внимания не ускользнуло, что постулированные нами специфические парные связи позволяют сразу предположить механизм копирования генетического материала».

Модель двойной спирали показывает, как реплицируются гены. Когда во время репликации две цепочки ДНК расплетаются, каждая материнская цепочка служит матрицей для синтеза комплементарной дочерней цепочки. Содержащая информацию последовательность, в которой расположены нуклеотиды в материнской цепочке, определяет последовательность нуклеотидов в дочерней: А будет связываться с Т, а Г — с Ц. Впоследствии дочерняя цепочка может служить матрицей для синтеза следующей, новой цепочки. Этот механизм позволяет достоверно копировать ДНК перед делением клетки, чтобы дочерним клеткам доставались копии ДНК материнской. Он работает во всех клетках организма, в том числе в сперматозоидах и яйцеклетках, тем самым обеспечивая воспроизводство организма и передачу генетической информации из поколения в поколение.

Отталкиваясь от механизма репликации генов, Уотсон и Крик также предположили возможный механизм синтеза белков. Из того, что каждый ген управляет синтезом какого-то определенного белка, они сделали вывод, что последовательность нуклеотидов в каждом гене кодирует соответствующий белок. Для синтеза белков, как и для репликации генов, эта закодированная информация считывается путем создания комплементарной копии участка цепочки ДНК. Но при синтезе белков, как показали дальнейшие исследования, эту информацию переносит вспомогательная молекула так называемой информационной РНК (рибонуклеиновой кислоты). Как и ДНК, информационная РНК — это нуклеиновая кислота, состоящая из нуклеотидов четырех типов. Три из них (аденин, гуанин и цитозин) соответствуют нуклеотидам ДНК, а четвертый (урацил) входит только в состав РНК, вместо тимина. Для синтеза белка две цепочки ДНК в пределах одного гена отходят друг от друга, и информация с одной из них копируется на информационную РНК. Затем последовательность нуклеотидов информационной РНК считывается, и в соответствии с ней синтезируется белок. Так Уотсон и Крик[27] сформулировали центральную догму молекулярной биологии: на матрице ДНК синтезируется РНК, а на матрице РНК синтезируется белок.

Следующим шагом должна была стать расшифровка генетического кода, то есть выяснение тех правил, по которым последовательность нуклеотидов в молекулах информационной РНК преобразуется в последовательность аминокислот в белках — в том числе в белках, задействованных в хранении памяти. Первые серьезные попытки расшифровать этот код были сделаны в 1956 году, когда Фрэнсис Крик и Сидней Бреннер попытались ответить на вопрос, как с помощью четырех нуклеотидов могут быть закодированы двадцать аминокислот, из которых состоят молекулы белков. Если бы соответствие было один к одному, то есть каждый нуклеотид кодировал бы одну аминокислоту, это позволяло бы закодировать только четыре аминокислоты. Если бы каждой аминокислоте соответствовала определенная пара нуклеотидов, это позволяло бы закодировать шестнадцать аминокислот. Но чтобы закодировать двадцать разных аминокислот, как было показано Бреннером, система должна быть основана на триплетах, то есть на разных сочетаниях из трех нуклеотидов. Однако таких сочетаний не двадцать, а шестьдесят четыре. Поэтому Бреннер предположил, что код, основанный на триплетах, вырожден (избыточен), то есть одну и ту же аминокислоту могут кодировать разные триплеты нуклеотидов.

В 1961 году Бреннер и Крик доказали, что генетический код представляет собой последовательность нуклеотидных триплетов, каждый из которых служит инструкцией для включения в белок строго определенной аминокислоты. Но они не еще не знали, какие триплеты соответствуют каждой аминокислоте. В тот же год, но позже это выяснили Маршалл Ниренберг из Национальных институтов здоровья и Хар Гобинд Корана из Висконсинского университета. Они проверили концепцию Бреннера и Крика биохимическими методами и расшифровали генетический код, установив, какие комбинации нуклеотидов кодируют каждую аминокислоту.

В конце семидесятых Уолтер Гилберт из Гарварда и Фредерик Сэнгер из Кембриджа разработали новый биохимический метод, позволяющий сравнительно легко секвенировать ДНК, то есть считывать последовательность нуклеотидов в отрезках цепочек ДНК и тем самым определять, какой белок кодируется тем или иным геном. Это был огромный шаг вперед. Он позволил ученым узнать что в разных генах имеются одни и те же последовательности, кодирующие одинаковые или похожие участки молекул многих разных белков. Эти узнаваемые участки, которые назвали доменами, выполняют одни и те же биологические функции независимо от того, в состав какого белка входят. Таким образом, ученые получили возможность по некоторым последовательностям нуклеотидов, входящих в состав гена, определять отдельные функции белка, кодируемого этим геном, например, будет ли это киназа, ионный канал или рецептор. Кроме того, появилась возможность, сравнивая последовательности аминокислот в молекулах разных белков, выявлять черты сходства белков, работающих в разных системах, например в разных клетках тела и даже в непохожих друг на друга организмах.

Эти последовательности и их сравнение позволили ученым описать принципиальные механизмы работы клеток и передачи сигналов между ними, тем самым заложив концептуальные основы для изучения множества явлений живой природы. В частности, такие исследования в очередной раз показали, что разные клетки и даже разные организмы состоят из одного и того же материала. У всех многоклеточных организмов имеется фермент, синтезирующий циклический АМФ, а также киназы, ионные каналы и так далее. Более того, половина генов, работающих у человека, есть и у намного проще устроенных беспозвоночных животных, таких как червь Caenorhabditis elegans, муха дрозофила и моллюск аплизия. Геном мышей содержит больше 90 %, а геном высших обезьян — около 98 % кодирующих последовательностей, общих с человеческим геномом.

После методов секвенирования ДНК важнейшим достижением молекулярной биологии, которое и привело меня в эту науку, была разработка метода рекомбинантной ДНК и методов клонирования генов, позволяющих идентифицировать и определять функции отдельных генов, в том числе работающих в мозгу. Первый этап этих методов состоит в том, чтобы выделить из клеток человека, мыши или моллюска ген, который мы хотим исследовать, то есть отрезок ДНК, кодирующий определенный фермент. Это можно сделать, выяснив положение гена в хромосоме и вырезав его из хромосомы молекулярными ножницами — ферментами, разрезающими ДНК в соответствующих местах.

Следующий этап состоит в том, чтобы сделать много копий этого гена (процедуру называют клонированием генов). При клонировании концы вырезанного гена присоединяют к отрезкам ДНК другого организма, например бактерии, создавая так называемую рекомбинантную ДНК: рекомбинантную — потому что присоединение гена, вырезанного из ДНК одного организма, к ДНК другого организма — это перекомпоновка (рекомбинация) молекул ДНК. Геном бактерии удваивается каждые двадцать минут, в результате чего мы получаем множество одинаковых копий исходного гена. Заключительный этап состоит в том, чтобы найти белок, кодируемый этим геном, чего можно достичь с помощью прочтения последовательности нуклеотидов, то есть молекулярных элементов, из которых состоит ген.

В 1972 году Полу Бергу из Стэнфордского университета удалось получить первую рекомбинантную молекулу ДНК, а в 1973 году Герберт Бойер из Калифорнийского университета в Сан-Франциско и Стэнли Коэн из Стэнфордского университета усовершенствовали методику Берга и разработали процедуру клонирования генов. К 1980 году Бойер сумел внедрить ген человеческого инсулина в бактерию.

Это достижение позволило получать человеческий инсулин в неограниченных количествах и положило начало биотехнологической промышленности. Джим Уотсон, один из первооткрывателей структуры ДНК, сравнил эти методы с игрой в бога: «Мы хотели научиться делать то, что теперь позволяют делать текстовые редакторы: вырезать, вставлять и копировать ДНК <…> после того, как нам удалось расшифровать генетический код. <…> Однако несколько открытий, сделанных в конце шестидесятых и в семидесятые годы, счастливо совместились в 1973 году в метод так называемой „рекомбинантной ДНК“, позволяющий редактировать молекулы ДНК. Это был не просто шаг вперед в разработке лабораторных методов. Ученые вдруг получили возможность по-своему кроить ДНК, создавая молекулы, которых никогда не бывало в природе. Мы получили возможность „играть в бога“ с молекулярными основами всего живого».

Вскоре эти замечательные открытия и орудия, применявшиеся ранее для изучения генов и функций белков у бактерий, дрожжей и разных клеток животных, с радостью взяли на вооружение нейробиологи, особенно я, чтобы исследовать с их помощью работу нервной системы. У меня не было никакого опыта использования этих методов — для меня все это была ночная наука. Но даже ночью я отчетливо видел огромные возможности молекулярной биологии.

18. Гены памяти

Три события должны были сойтись, чтобы мой план применить молекулярно-биологические методы для исследования памяти вышел из ночной науки в дневную. Первым был переход в 1974 году в Колледж терапевтов и хирургов Колумбийского университета на место моего учителя Гарри Грундфеста, уходившего на пенсию. Колумбийский университет привлекал меня тем, что это великое учебное заведение с замечательными традициями в области научной медицины, особенно продвинутое в таких областях, как неврология и психиатрия. Основанный как Королевский колледж в 1754 году, он был пятым по счету и первым готовящим врачей университетом на территории Соединенных Штатов. Определяющим фактором для моего решения стало то, что Дениз уже была сотрудницей Колледжа терапевтов и хирургов и мы с ней купили дом в Ривердейле, потому что он находился поблизости от университетского кампуса. Поэтому перейдя из Нью-Йоркского университета в Колумбийский, я стал намного быстрее добираться до работы, а мы с Дениз получили возможность работать в одном университете, но независимо друг от друга.

С моим переходом в Колумбийский университет было связано второе событие — начало сотрудничества с Ричардом Акселем (рис. 18–1). На первом этапе моей карьеры биолога моим наставником был Гарри Грундфест, побудивший меня заняться исследованиями работы нервной системы на клеточном уровне. На втором этапе моим проводником был Джимми Шварц, вместе с которым мы изучали биохимию кратковременной памяти. На третьем же этапе похожую роль предстояло сыграть Ричарду Акселю, совместная работа с которым позволила мне сосредоточиться на том, как диалог между генами нейрона и его синапсами обеспечивает формирование кратковременной памяти.

18–1. Ричард Аксель (р. 1946). с которым я подружился в первые годы совместной работы в Колумбийском университете. Благодаря нашему научному сотрудничеству я научился методам молекулярной биологии, а Ричард занялся нервной системой. В 2004 году Ричард и его коллега Линда Бак (р. 1947), работавшая у него постдоком, получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за свои классические исследования обоняния. (Из архива Эрика Канделя).

Мы с Ричардом познакомились в 1977 году на заседании комиссии по приему сотрудников на постоянную работу. В конце этого заседания он подошел ко мне и сказал: «Мне надоело без конца заниматься клонированием генов. Я хочу заняться чем-нибудь, связанным с нервной системой. Нам надо поговорить и, может быть, сделать что-то по молекулярной биологии ходьбы». Это предложение было далеко не таким наивным и грандиозным, как высказанное мной Грундфесту намерение исследовать биологические основы — «я», «оно» и «сверх-я». Тем не менее я вынужден был сказать Ричарду, что в тот момент ходьба была, вероятно, еще недоступна для молекулярно-биологических исследований. По-видимому, более посильной задачей было бы исследовать какую-то простую поведенческую реакцию у аплизии, например втягивание жабр, выделение чернильной жидкости или откладку яиц.

Когда я лучше познакомился с Ричардом, я быстро оценил, какой он интересный, умный и великодушный человек. Роберт Вайнберг в своей книге об истоках раковых заболеваний превосходно описывает любознательность Ричарда и остроту его ума: «У Акселя, высокого, тощего и сутулого, было яркое угловатое лицо, делавшееся еще ярче благодаря очкам в серебристой оправе, в которых он всегда ходил. Аксель <…> позволил мне открыть так называемый „синдром Акселя“, который я изучил путем тщательных наблюдений и затем при случае описывал сотрудникам своей лаборатории. Я впервые обратил внимание на этот синдром во время нескольких научных заседаний, на которых Аксель присутствовал в качестве слушателя. Он садился в первом ряду и внимательно вслушивался в каждое слово, доносившееся с кафедры. Затем он задавал глубокие, проницательные вопросы, которые формулировал медленно, с расстановкой, произнося каждый слог отчетливо и внятно. Его вопросы неизменно проникали в самую суть доклада, вскрывая слабые места в данных или доводах докладчика. Перспектива получить от Акселя каверзный вопрос очень нервировала тех, у кого не все было в порядке с собственными научными результатами».

На самом деле очки у Акселя были в золотистой оправе, но в остальном это очень меткое описание. Помимо добавления «синдрома Акселя» в анналы науки Ричард внес весомый вклад в методологию работы с рекомбинантной ДНК. Он разработал общий метод внедрения любого гена в любую клетку в тканевой культуре. Этот метод, названный котрансфекцией, широко используется как в научных исследованиях, так и в фармацевтике для производства лекарств.

Ричард, как и я, был опероманом, и вскоре после того, как мы с ним подружились, мы стали вместе ходить в оперу, причем всегда без билетов. Во время первого такого похода мы попали на вагнеровскую «Валькирию». Ричард настоял на том, чтобы мы вошли в театр через нижний вход, связанный с гаражом. Билетер, проверявший билеты у этого входа, сразу узнал Ричарда и пропустил нас. Мы прошли к первым рядам партера и стояли у стенки, пока не начал гаснуть свет. Тогда к нам подошел другой билетер, который тоже узнал Ричарда, когда мы вошли, и указал два свободных места. Ричард незаметно передал ему какие-то деньги, причем наотрез отказался сообщить мне сколько. Это был чудесный спектакль, но время от времени меня прошибал холодный пот при мысли, что на следующий день я увижу в «Нью-Йорк таймс» заголовок: «Два профессора Колумбийского университета пробрались в Метрополитен-опера без билета».

Вскоре после начала нашего сотрудничества Ричард спросил людей, работавших в его лаборатории: «Кто-нибудь хочет учиться нейробиологии?» Такое желание изъявил только Ричард Шеллер, который стал нашим общим постдоком. Шеллер оказался для нас очень ценным приобретением: он был человеком творческим и смелым, о чем говорило его добровольное решение заняться нервной системой. Кроме того, он хорошо разбирался в генной инженерии: внес существенный вклад в методологию этой области, еще будучи аспирантом, и охотно помогал мне учиться молекулярной биологии.

Когда мы с Ирвингом Купферманом исследовали роль различных клеток и их групп в поведении аплизии, мы нашли две симметричные группы нейронов, каждый из которых содержит около двухсот одинаковых клеток, которые мы назвали пазушными клетками (bag cells). Ирвинг обнаружил, что пазушные клетки выделяют гормон, стимулирующий откладку яиц — инстинктивную, устойчивую форму сложного поведения. Яйца аплизии упакованы в длинные желеобразные шнуры, в каждом из которых содержится миллион или больше яиц. В ответ на действие гормона откладки яиц аплизия выделяет яйцевой шнур из отверстия половой системы, расположенного рядом с головой. При этом у нее повышаются частота сердцебиения и интенсивность дыхания. Затем она подхватывает выходящий яйцевой шнур ртом и двигает головой взад и вперед, вытягивая его из полового протока, скатывает в шарик и закрепляет на камне или какой-нибудь водоросли.

Шеллеру удалось выделить ген, управляющий откладкой яиц, и показать, что ген кодирует пептидный гормон, то есть короткую цепочку аминокислот, и экспрессируется в пазушных клетках. Шеллер синтезировал этот гормон, ввел его аплизии и пронаблюдал за тем, как тот запускает ритуал откладки яиц животного. Это было необычайное достижение, потому что оно показывало, что одна короткая цепочка аминокислот может запускать сложную последовательность поведенческих реакций. Наши с Акселем и Шеллером совместные исследования молекулярной биологии такой сложной формы поведения, как откладка яиц, привели их обоих в нейробиологию и укрепили мое стремление проникнуть еще дальше в лабиринты молекулярной биологии.

Наши исследования обучения и памяти, проведенные в начале семидесятых, связали клеточную нейробиологию с обучением простой форме поведения. Моя совместная работа с Шеллером и Акселем, которая началась в конце семидесятых, убедила и меня, и Акселя, что молекулярная биология, нейробиология и психология могут соединиться и образовать новую молекулярную науку о поведении. Мы высказали это во введении к нашей первой статье о молекулярной биологии откладки яиц: «На материале аплизии мы описываем удобную экспериментальную систему для исследования структуры, экспрессии и модуляции генов, кодирующих пептидный гормон, обладающий известной поведенческой функцией».

В ходе выполнения совместного проекта я познакомился с методами работы с рекомбинантной ДНК, которые сыграли ключевую роль в моих последующих исследованиях долговременной памяти. Кроме того, мое сотрудничество с Акселем положило начало крепкой научной и личной дружбе. Поэтому я был обрадован и не удивлен, когда 10 декабря 2004 года, через четыре года после того, как мои исследования были отмечены Нобелевским комитетом, я узнал, что Ричарду и Линде Бак, в прошлом работавшей у него постдоком, присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине за их выдающиеся работы в области молекулярной нейробиологии. Ричард и Линда вместе сделали поразительное открытие, что в носу мышей имеется около тысячи различных обонятельных рецепторов. Таким огромным набором рецепторов (существования которого никто не предполагал) и объясняется наша способность улавливать тысячи специфических запахов. Это открытие доказало, что значительная часть выполняемого нашей нервной системой анализа запахов осуществляется рецепторами носовой полости. Впоследствии Ричард и Линда независимо использовали эти рецепторы, чтобы продемонстрировать точность связей между нейронами обонятельной системы.

Последнее событие из тех трех, которые помогли мне освоить методы молекулярной биологии и использовать их для изучения памяти, случилось в 1983 году, когда Дональд Фредриксон, недавно назначенный президентом Медицинского института Говарда Хьюза, попросил Шварца, Акселя и меня составить основу группы, занимающейся новой наукой о психике — молекулярной биологией когнитивных функций. Каждая группа ученых, работу которых в университетах и других научных учреждениях страны поддерживает этот институт, называется по месту ее расположения. Так мы стали Медицинским институтом Говарда Хьюза при Колумбийском университете.

Говард Хьюз был творческим и эксцентричным человеком — промышленником, продюсером фильмов, конструктором и пилотом самолетов, на которых он участвовал в соревнованиях. От своего отца он унаследовал значительную долю акций компании Hughes Tool Company и построил на ее основе промышленную империю. В рамках этой производившей инструменты компании он организовал авиастроительное отделение, Hughes Aircraft Company, ставшее одним из основных подрядчиков Министерства обороны. В 1953 году он передал эту компанию Медицинскому институту Говарда Хьюза — научно-исследовательскому медицинскому учреждению, которое только что основал. К 1984 году; через восемь лет после его смерти, институт стал крупнейшей частной организацией, поддерживающей биомедицинские исследования в Соединенных Штатах. К 2004 году институтский фонд превысил и млрд долларов, институт поддерживал 350 исследователей во множестве университетов Соединенных Штатов. Около ста из этих ученых были членами Национальной академии наук, а десять — лауреатами Нобелевской премии.

Девиз Медицинского института Говарда Хьюза — «Люди, а не проекты». В институте убеждены, что наука процветает тогда, когда выдающимся исследователям предоставляют как ресурсы, так и интеллектуальную свободу для выполнения смелых, передовых работ. В 1983 году в институте стартовали три инициативы: в областях нейробиологии, генетики и регуляции обмена веществ. Меня пригласили на должность старшего исследователя нейробиологической инициативы, и обеспеченные мне институтом возможности сыграли огромную роль как в моей научной карьере, как и в карьере Ричарда Акселя.

Новообразованный институт дал нам возможность нанять Тома Джесселла и Гэри Струла из Гарварда и убедить остаться Стивена Зигельбаума, который собирался уходить из Колумбийского университета. Это были чудесные кадры для нашей хьюзовской группы и Центра нейробиологических и поведенческих исследований. Джесселл вскоре стал ведущим специалистом по развитию нервной системы позвоночных. Серия проведенных им блестящих исследований позволила выявить гены, обеспечивающие индивидуальные особенности разных нейронов спинного мозга (тех самых, которыми занимались Шеррингтон и Экклс). Затем он показал, что эти гены также управляют вырастанием аксонов и образованием синапсов. Зигельбаум успешно использовал свои замечательные открытия, связанные с ионными каналами, для изучения того, как каналы управляют возбудимостью нейронов и силой синаптических связей и как то и другое модулируется в результате работы и под действием различных модуляторных нейромедиаторов. Струл разработал оригинальный генетический подход к работе с дрозофилой, позволяющий изучать, как в ходе развития этой плодовой мухи формируется строение ее тела.

Теперь, имея в распоряжении методы молекулярной биологии и финансирование Медицинского института Говарда Хьюза, мы могли заняться проблемами генов и памяти. Моя экспериментальная стратегия начиная с 1961 года состояла в том, чтобы улавливать простые формы памяти в наименьших возможных популяциях нейронов и использовать множество микроэлектродов для отслеживания активности задействованных клеток. Мы научились регистрировать сигналы отдельных сенсорных нейронов и мотонейронов в течение нескольких часов у интактного животного, что прекрасно подходило для исследования кратковременной памяти. Но для работы с долговременной памятью нам нужна была возможность регистрировать такие сигналы в течение дня или нескольких дней. Для этого требовался новый подход, и я обратился к тканевым культурам сенсорных нейронов и мотонейронов.

Сенсорные нейроны и мотонейроны нельзя просто так извлечь из взрослого организма и выращивать в лаборатории, потому что зрелые нейроны плохо выживают в культуре. Вместо этого нейроны нужно извлекать из нервной системы очень молодых животных и обеспечивать им среду, в которой они могут вырасти в зрелые клетки. Важнейший шаг в этом направлении сделал наш аспирант Арнольд Кригштейн. Перед самым переходом лаборатории в Колумбийский университет Кригштейн научился выращивать аплизий в лабораторных условиях от эмбриональной стадии, заключенной в яйце, до взрослого организма, чего биологам не удавалось добиться на протяжении почти ста лет.

По мере роста аплизия превращается из прозрачной свободноплавающей личинки, которая питается одноклеточными водорослями, в ползающего, питающегося многоклеточными водорослями ювенильного моллюска — уменьшенное подобие взрослого организма. Для того чтобы с личинкой произошло это радикальное изменение строения тела, она должна какое-то время сидеть на многоклеточной водоросли определенного вида и подвергаться воздействию особого вещества. Никому не удавалось пронаблюдать это превращение в природе, поэтому никто не знал, что требуется. Кригштейн наблюдал за личинками аплизий в их естественной среде и заметил, что они часто садятся на красную водоросль определенного вида. Когда он испытал эту водоросль в лаборатории, предоставив личинкам возможность садиться на нее, он обнаружил, что они превращаются в ювенильных моллюсков (рис. 18–2). Те из нас, кто присутствовал на замечательном семинаре, проведенном Кригштейном в декабре 1973 года, не скоро забудут его описание того, как личинки находят эту водоросль, которая называется Laurencia pacifica, садятся на нее и извлекают из нее вещества, необходимые для включения механизма превращения. Я помню, что, когда Кригштейн показал нам первые фотографии крошечных ювенильных моллюсков, я сказал про себя: «Дети всегда такие красивые!»

18–2. Жизненный цикл аплизии. Личинки аплизии сидят на красной водоросли определенного вида (Laurencia pacifica) и извлекают из нее вещества, необходимые для включения механизма превращения в ювенильного моллюска. (Рисунок перепечатан из книги: Е. R. Kandel, Cellular Basis of Behavior, IV. H. Freeman and Company, 1976).

После сделанного Кригштейном открытия мы начали выращивать эту водоросль и вскоре получили достаточное число ювенильных моллюсков, чтобы выращивать в культуре клетки нервной системы. Следующую принципиальную задачу — научиться выращивать конкретные нейроны в культуре и добиваться того, чтобы они образовывали синапсы, — взял на себя мой бывший студент Сэмюел Шахер, специалист по клеточной биологии. Шахеру, работавшему вместе с двумя постдоками, вскоре удалось культивировать конкретные сенсорные нейроны, мотонейроны и интернейроны, задействованные в рефлексе втягивания жабр (рис. 18–3).

18–3. Использование конкретных нейронов, выращиваемых в лаборатории, для изучения долговременной памяти. Отдельные сенсорные нейроны, мотонейроны и выделяющие серотонин модуляторные интернейроны, выращиваемые в культуре, образуют синапсы, воспроизводя простейшие нейронные цепи, обеспечивающие и модулирующие рефлекс втягивания жабр. Эта простая, подверженная обучению нейронная цепь (первая полученная в культуре клеток) дала нам возможность исследовать молекулярно-биологические основы долговременной памяти. (Фото любезно предоставил Сэм Шахер).

Теперь все элементы подверженной обучению нейронной цепи имелись у нас в клеточной культуре. Эта цепь позволяла исследовать компоненты хранения памяти, сосредоточившись на отдельном сенсорном нейроне и отдельном мотонейроне. Эксперименты показали, что выделенные из организма сенсорные нейроны и мотонейроны образуют в культуре в точности такие же синаптические связи и демонстрируют такое же физиологическое поведение, как в организме интактного животного. В природе удар током в заднюю часть тела вызывает активацию модуляторных интернейронов, которые выделяют серотонин, тем самым усиливая связь сенсорных нейронов с мотонейронами. Поскольку мы уже знали, что эти модуляторные интернейроны выделяют серотонин, после нескольких экспериментов мы установили, что незачем выращивать их в культуре. Мы просто вводили серотонин в культуру клеток рядом с синапсами, соединяющими сенсорные нейроны с мотонейронами, — именно там, где у интактных животных окончания модуляторных интернейронов подходят к сенсорным нейронам и выделяют серотонин. Одно из величайших наслаждений ученого, долгое время работающего с одной и той же биологической системой, связано с тем, что сегодняшние открытия становятся орудием завтрашних экспериментов. Наши многолетние исследования этой нейронной цепи и умение выделять ключевые химические сигналы, передающиеся в пределах этой цепи от клетки к клетке и внутри клеток, позволили воспользоваться теми же сигналами для манипуляций с этой системой и более глубокого ее изучения.

Мы обнаружили, что непродолжительное однократное введение серотонина на несколько минут усиливает синаптическую связь сенсорного нейрона с мотонейроном, увеличивая выделение серотонина сенсорной клеткой. Как и у интактного животного, это кратковременное усиление синаптической связи представляет собой функциональное изменение и не требует синтеза новых белков. Пятикратное введение серотонина, имитирующее пятикратный удар током, напротив, усиливает синаптическую связь на несколько дней и приводит к отрастанию новых синаптических связей, то есть вызывает анатомические изменения, требующие синтеза новых белков (рис. 18–4). Этот результат показывал, что мы можем вызывать образование новых синапсов у сенсорного нейрона, растущего в культуре, но нам по-прежнему нужно было выяснить, какие белки задействованы в формировании долговременной памяти.

18–4. Изменения в отдельном сенсорном нейроне и отдельном мотонейроне, лежащие в основе кратковременной и долговременной памяти.

Тогда моя научная карьера сплелась с одним из величайших интеллектуальных приключений современной биологии — распутыванием молекулярного механизма регуляции работы генов, единиц хранения закодированной информации, лежащей в основе всего живого на планете.

Это приключение началось в 1961 году, когда Франсуа Жакоб и Жак Моно из парижского Института Пастера опубликовали статью, озаглавленную «Генетические регуляторные механизмы и синтез белка». Используя в качестве модельного объекта бактерий, они сделали замечательное открытие, что работа генов может регулироваться, то есть включаться и выключаться, как водопроводный кран.

Жакоб и Моно высказали предположение, известное нам теперь как факт, что даже у сложных организмов, таких как человеческий, почти каждый ген, входящий в состав генома, присутствует в каждой клетке тела. У каждой клетки в ядре содержатся все хромосомы организма, а значит, и все гены, необходимые для развития этого организма. Из чего следовал принципиальный для биологии вопрос: почему гены не функционируют одинаково в каждой клетке тела? Жакоб и Моно выдвинули гипотезу, которая в итоге полностью подтвердилась, что клетка печени является клеткой печени, а клетка мозга — клеткой мозга потому, что в клетках каждого типа включены (экспрессируются) только некоторые из генов, а все остальные выключены (репрессированы). Поэтому клетки каждого типа содержат собственный неповторимый набор белков — подмножество всех белков, которые в принципе могут синтезировать клетки организма. Этот набор белков и позволяет клеткам выполнять особенные биологические функции.