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

20. Возвращение к сложной памяти

Когда я только начинал изучать биологические памяти, я сосредоточился на ее формировании, возникающем при трех простейших формах обучения: привыкании, сенсибилизации и выработке классического условного рефлекса. Я выяснил, что, когда простая форма двигательного поведения изменяется под действием обучения, эти изменения непосредственно затрагивают нейронные цепи, ответственные за данную форму поведения, и меняют силу существующих связей. Память, записанная в нейронной цепи, сразу после этого уже может считываться.

Это открытие дало нам первые сведения о биологии имплицитной памяти — формы памяти, которая считывается бессознательно. Имплицитная память обеспечивает не только простые навыки восприятия и моторные навыки, но также в принципе и пируэты Марго Фонтейн[30] и техник игры на трубе Уинтона Марсалиса[31], и точные удары Агасси[32], и движения ног любого взрослого человека, едущего на велосипеде. Имплицитная память служит проводником устоявшейся повседневной деятельности, не контролируемой сознанием.

Более сложные формы памяти, вдохновившие меня на первые исследования (эксплицитная память людей, предметов и мест), считываются сознательно и обычно могут находить выражение в образах или словах. Эксплицитная память устроена намного сложнее, чем простой рефлекс, который я изучал у аплизии. Ее обеспечивают сложнейшие нейронные сети гиппокампа и средней части височной доли, и есть множество мест, где она может храниться.

Эксплицитная память высокоиндивидуальна. Некоторых людей такие воспоминания никогда не покидают. К таким людям относилась Вирджиния Вулф. Ее детские воспоминания всегда оставались где-то на грани сознания, готовые явиться по первому зову и стать частью событий повседневной жизни, и она умела необычайно точно и подробно описывать события прошлого. Поэтому воспоминания Вирджинии Вулф о своей матери были свежи даже через много лет после ее смерти: «…она была там, в самом центре великого собора, который зовется детством, была там с самого начала. Мое первое воспоминание — о том, как я сидела у нее на коленях. <…> Затем я вижу ее в белом халате на балконе. <…> Чистая правда, что я неотступно думала о ней, пока мне не исполнилось сорок четыре, несмотря на то что она умерла, когда мне было тринадцать… эти сцены <…> почему они сохраняются нетронутыми год за годом, если только они не сделаны из чего-то сравнительно долговечного?»

Другие люди вспоминают прошлое лишь от случая к случаю. Я периодически задумываюсь о прошлом и вспоминаю тех двух полицейских, которые в день перед Хрустальной ночью пришли к нам в квартиру и приказали ее покинуть. Когда такие воспоминания всплывают в сознании, я как будто снова вижу этих людей и ощущаю их присутствие. Я могу зрительно представить встревоженное лицо мамы, физически почувствовать испытанный тогда страх и отметить, как уверенно действовал мой брат, когда брал с собой свои коллекции монет и марок. Когда я помещаю эти воспоминания в воображаемое пространство нашей маленькой квартиры, остальные детали на удивление отчетливо всплывают в моей памяти.

Мы вспоминаем события прошлого в подробностях примерно так, как сновидения, как будто мы смотрим фильм, в котором сами играем главную роль. Мы можем вспомнить даже свое эмоциональное состояние в тот или иной момент времени, хотя зачастую и в сильно упрощенном виде. Я до сего дня отчасти помню те эмоции, которые вызвал у меня мой первый сексуальный опыт с нашей домработницей Митци.

Как писал Теннесси Уильямс в пьесе «Молочный фургон здесь больше не останавливается», описывая то, что мы теперь называем эксплицитной памятью, «тебе когда-нибудь приходило в голову <…> что вся жизнь — это воспоминания, кроме одного мгновения настоящего, которое проходит так быстро, что ты едва успеваешь его уловить? Все это и правда воспоминания <…> кроме каждого уходящего мгновения».

Эксплицитная память дает нам возможность преодолевать пространство и время и воскрешать события и эмоциональные состояния, которые давно ушли в прошлое, но каким-то образом продолжают жить в нашем сознании. Но когда мы вызываем в памяти какое-то воспоминание (не имеет значения, насколько важное), мы выполняем больше работы, чем когда просто смотрим на фотографию 8 альбоме. Воскрешение событий в памяти — творческий процесс. По-видимому, наш мозг сохраняет только основу воспоминания. Когда мы вызываем его в памяти, основа проходит доработку и реконструкцию, в ходе которой в ней что-то пропадает, а что-то добавляется, что-то уточняется, а что-то искажается. Какие биологические процессы позволяют мне пересматривать историю собственной жизни с такой эмоциональной отчетливостью?

Когда мне исполнилось шестьдесят, я наконец набрался смелости, чтобы вернуться к изучению гиппокампа и эксплицитной памяти. Мне давно хотелось знать, применимы ли какие-то фундаментальные молекулярные принципы, которые мы открыли, изучая нейронную цепь простого рефлекса у аплизии, к сложным нейронным цепям головного мозга млекопитающих. К 1989 году в науке было совершено три серьезных прорыва, дававших возможность исследовать этот вопрос в лаборатории.

Первым было открытие, что пирамидальные клетки гиппокампа играют ключевую роль в восприятии животными окружающего пространства. Вторым — открытие замечательного механизма синаптического усиления в гиппокампе, названного долговременной потенциацией. Многие исследователи считали, что этот механизм может лежать в основе эксплицитной памяти. Третьим прорывом, непосредственно связанным с моим молекулярным подходом к обучению, было изобретение эффективных новых методов генетической модификации мышей. Мы с коллегами собирались приспособить эти методы для исследований мозга и попытаться с их помощью изучить работу эксплицитной памяти в гиппокампе в таких же молекулярных подробностях, в каких мы исследовали имплицитную память у аплизии.

Новая эпоха началась в 1971 году, когда Джон О'Киф из университетского колледжа Лондона сделал поразительное открытие, касающееся механизма обработки сенсорной информации в гиппокампе. Он обнаружил, что нейроны гиппокампа крысы регистрируют информацию не о какой-то одной форме сенсорных ощущений (такой как зрение, слух, осязание или боль), а обо всем пространстве, окружающем животное, то есть об ощущении, зависящем от информации, поступающей от разных органов чувств. Затем О'Киф обнаружил, что в гиппокампе крысы содержится отображение (карта) окружающего пространства, а элементами этой карты служат пирамидальные клетки гиппокампа, которые обрабатывают информацию о месте. Более того, характер последовательности потенциалов действия этих нейронов так четко связан с определенными участками пространства, что О'Киф назвал их «клетками места». Вскоре после этого открытия другие эксперименты, поставленные на грызунах, показали, что повреждения гиппокампа приводят к серьезным нарушениям способности животных к обучению навыкам, зависящим от пространственной информации. Это открытие свидетельствовало о том, что обнаруженная О'Кифом карта играет ключевую роль в восприятии пространства, то есть в нашем осознании окружающей среды.

Поскольку восприятие пространства возникает благодаря нескольким сенсорным ощущениям, это поднимало следующие вопросы: как совмещаются ощущения? как формируется карта пространства? как она, будучи сформированном, поддерживается?

Первые ключи к ответам на эти вопросы были подучены в 1973 году, когда Терье Лемо и Тим Блисс, работавшие постдоками в лаборатории Пера Андерсена в Осло, открыли, что связи в нейронных проводящих путях, ведущих в гиппокамп кролика, могут усиливаться под действием краткого всплеска нейронной активности. Лемо и Блисс тогда еще не были знакомы с работами О'Кифа и не попытались исследовать работу гиппокампа в контексте памяти, связанной с какой-то определенной формой поведения, как мы сделали с рефлексом втягивания жабр у аплизии. Вместо этого они применили подход, аналогичный тому, которым мы с Ладиславом Тауцем впервые воспользовались в 1962 году: они стали работать с нейронным аналогом обучения. Но их нейронный аналог был основан не на общеизвестных формах обучения, таких как привыкание, сенсибилизация и выработка классического условного рефлекса, а на нейронной активности как таковой. Они воздействовали на нейронный путь, ведущий в гиппокамп, очень быстрой последовательностью электрических стимулов (сто импульсов в секунду) и обнаружили, что в результате синаптические связи в этом пути усиливаются на время от нескольких часов до одного или нескольких дней. Лемо и Блисс назвали такую форму усиления синаптических связей долговременной потенциацией.

Вскоре выяснилось, что долговременная потенциация происходит во всех трех проводящих путях гиппокампа и что это далеко не единственный случай, где наблюдается подобный процесс. Долговременная потенциация оказалась целым набором слегка отличных друг от друга механизмов, каждый из которых увеличивает силу синапсов в ответ на стимуляцию разной частоты и характера. Долговременная потенциация сходна с долговременным усилением связей сенсорных нейронов с мотонейронами у аплизии: в обоих случаях наблюдается усиление синаптических связей. Но если долговременное усиление связей у аплизии имеет гетеросинаптическую природу и осуществляется за счет действия модуляторного нейромедиатора на гомосинаптический проводящий путь, то многие формы долговременной потенциации могут запускаться исключительно за счет гомосинаптической активности. Однако, как выяснили впоследствии и мы, и другие ученые, в преобразовании кратковременной гомосинаптической пластичности в долговременную гетеросинаптическую обычно задействованы нейромодуляторы.

В начале восьмидесятых Андерсен существенно упростил методику Лемо и Блисса, извлекая гиппокамп из мозга крысы, разрезая его на тонкие слои и помещая их в питательную среду. Это позволило ему наблюдать работу нескольких нейронных путей в определенном сегменте гиппокампа. Как ни удивительно, такие срезы мозга могут функционировать часами, если их правильно подготовить. Теперь вооруженные новым методом исследователи получили возможность изучать биохимию долговременной потенциации и наблюдать эффекты воздействия препаратов, блокирующих определенные компоненты передачи сигналов.

В ходе этих исследований начали выявляться основные вещества, задействованные при долговременной потенциации. В шестидесятых годах Дэвид Кертис, работая совместно с Джеффри Уоткинсом, открыл, что обычная глутаминовая аминокислота (глутамат) играет роль одного из главных нейромедиаторов в мозгу позвоночных (впоследствии мы выяснили, что в мозгу беспозвоночных тоже). Затем Уоткинс и Грэм Коллингридж установили, что глутамат воздействует в гиппокампе на два разных типа ионотропных рецепторов: AMPA и NMDA. AMPA-рецептор обеспечивает нормальную синаптическую передачу и реагирует на отдельные потенциалы действия в пресииаптическом нейроне. NMDA-рецептор, напротив, реагирует только на очень быстрые серии стимулов и требуется для долговременной потенциации.

Когда постсинаптический нейрон многократно стимулируют, как в экспериментах Блисса и Лемо, AMPA-рецепторы обеспечивают развитие сильного синаптического потенциал, который деполяризует клеточную мембрану на двадцать или даже тридцать милливольт. Эта деполяризация вызывает открывание ионных каналов NMDA-рецепторов, которые впускают в клетку кальций. Роджер Николл из Калифорнийского университета в Сан-Франциско и Гэри Линч из Калифорнийского университета в Ирвайне независимо друг от друга выяснили, что приток ионов кальция в постсинаптическую клетку при этом играет роль вторичного посредника (подобно циклическому АМФ), запуская долговременную потенциацию. Таким образом, NMDA-рецепторы способны переводить электрический сигнал синаптического потенциала в сигнал биохимической природы.

Эти биохимические реакции важны тем, что запускают молекулярные сигналы, которые могут передаваться по всей клетке и участвовать в длительных изменениях ее синапсов. В ходе этих реакций кальций активирует одну из киназ (так называемую кальциевую или кальмодулин-зависимую протеинкиназу), которая увеличивает синаптическую силу примерно на час. Николл впоследствии доказал, что притон кальция и активация этой киназы приводят к усилению синаптических связей за счет того, что вызывают сборку дополнительных AMPA-рецепторов и их встраивание в мембрану постсинаптической клетки.

Результаты исследований работы NMDA-рецепторов были с восторгом встречены нейробиологами, потому что показывали: эти рецепторы играют в нервной системе роль детектора совпадений. По своим каналам они пропускают в клетку кальций тогда и только тогда, когда отмечают совпадение двух нейронных событий, одного пресинаптического и одного постсинаптического. Для этого, во-первых, пресинаптический нейрон должен быть активирован и выделять глутамат, а во-вторых, AMPA-рецепторы постсинаптической клетки должны связывать глутамат и делоляризовывать клетку. Только в этом случае активируются NMDA-рецепторы, которые впускают в клетку кальций, вызывая долговременную потенциацию. Интересно, что еще в 1949 году психолог Дональд Хебб предсказал возможность обнаружения в мозгу нейронного детектора совпадений, задействованного в обучении: «Когда аксон клетки А <…> возбуждает клетку В и многократно или постоянно участвует в ее активации, в одной из этих клеток или в них обеих происходят какие-то процессы роста или метаболические изменения, и эффективность работы клетки А повышается».

Аристотель, а вслед за ним британские философы-эмпирики и многие другие мыслители, предполагал, что обучение и память каким-то образом обеспечиваются способностью к ассоциативной деятельности и формированию длительных мысленных связей между двумя идеями или раздражителями. Открытие NMDA-рецепторов и долговременной потенциации позволило нейробиологам выявить молекулярный и клеточный процесс, способный осуществлять эту ассоциативную деятельность.

21. Синапсы хранят и наши самые теплые воспоминания

Новые открытия, связанные с гиппокампом (клетки места, NMDA-рецепторы и долговременная потенциация), открывали перед нейробиологами увлекательные перспективы. Но оставалось непонятным, как карта пространства и долговременная потенциация связаны друг с другом и с работой эксплицитной памяти. Начать с того, что, хотя долговременная потенциация в гиппокампе и оказалась интереснейшим и широко распространенным явлением, это был во многом искусственный способ вызывать изменения синаптической силы. Даже Лемо и Блисс в связи с этой искусственностью задавались вопросом, «пользуются или нет интактные животные в своей естественной среде тем свойством, которое было выявлено с помощью повторяющихся синхронных импульсов». Более того, казалось маловероятным, что серии импульсов того же характера возникают и в ходе обучения. Многие ученые сомневались, что изменения синаптической силы, происходящие при долговременной потенциации, играют какую-либо роль в пространственной памяти или в формировании и поддержании карты пространства.

Я начал понимать, что идеальным способом изучения этих связей было бы использование генетических методов, подобных тем, которые применял Сеймур Бензер в исследованиях обучения у дрозофил. В восьмидесятые годы биологам удалось объединить методы селекции с методом рекомбинантной ДНК для получения генетически модифицированных мышей. Эта технология позволяла манипулировать генами, лежащими в основе долговременной потенциации, в поисках ответа на некоторые актуальные вопросы, которые меня интересовали. Состоит ли долговременная потенциация из разных фаз подобно долговременному усилению синаптических связей у аплизии? Если да, то соответствуют ли эти фазы формированию кратковременной и долговременной пространственной памяти? Если между ними есть соответствие, мы могли бы вмешаться в одну из фаз долговременной потенциации и определить, что происходит с картой пространства в гиппокампе в процессе обучения и запоминания новой окружающей среды.

Я был счастлив вернуться к работе с гиппокампом — вновь обретенным предметом давней страсти. Я следил за успехами исследований в этой области, поэтому не почувствовал, что прошло уже тридцать лет. С Пером Андерсоном, как и с Роджером Николлом, меня связывали дружеские отношения. Но главным побудительным мотивом были воспоминания о совместных экспериментах с Олденом Спенсером, поставленных, когда мы работали в Институтах здоровья. Я снова испытал восторг работы на пороге новых открытий, но на этот раз я был вооружен молекулярно-генетическими методами, об избирательности и других возможностях которых мы с Олденом не могли и мечтать.

Эти достижения молекулярной генетики стали возможными благодаря успехам селекции мышей. Эксперименты поставленные в конце XX века, показали, что разные линии лабораторных мышей отличаются не только геномами, но и поведением. У одних обнаружились исключительные способности к выполнению различных заданий, в то время как другие проявляли в тех же экспериментах исключительную бестолковость. Эти результаты показывали, что гены играют в обучении заметную роль. Мыши разных линий отличаются друг от друга также по степени пугливости, общительности и развития материнских способностей. С помощью близкородственного скрещивания и выведения линий с повышенной или пониженной пугливостью исследователям генетики поведения удалось преодолеть случайный характер естественного отбора. Так селекция стала первым шагом на пути выявления генов, ответственных за определенные формы поведения. Теперь метод рекомбинантной ДНК давал возможность не только выявлять задействованные гены, но и исследовать их роль в изменении синапсов, лежащем в основе определенных форм поведения, эмоциональных состояний или способностей к обучению.

До 1980 года молекулярная генетика мышей полагалась на классические методы так называемой прямой генетики, которыми, в частности, пользовался Бензер в экспериментах с дрозофилами. Сначала мышей подвергали воздействию вещества, которое обычно повреждает лишь один из 15 тыс. генов, содержащихся в геноме мыши. При этом повреждения происходят случайным образом, поэтому заранее не известно, какой ген окажется поврежден. Выведенным мышам дают ряд заданий, чтобы проверить, у кого из них изменение повлияло на способности. Для этого необходимо разводить мышей в течение ряда поколений, поэтому прямая генетика требует немалых затрат времени и других ресурсов, но имеет важное преимущество объективности. Этот способ отбора генов не предполагает проверки никаких гипотез, поэтому влияние субъективных факторов в нем сведено к минимуму.

Революционный метод рекомбинантной ДНК позволил биологам разработать требующие меньших затрат, в том числе времени, методы обратной генетики. Она позволяет извлекать из генома мыши определенный ген или, напротив, вводить его в геном и изучать, как это влияет на синаптические изменения и обучение. В обратной генетике больше субъективности, потому что она предполагает проверку гипотез, например задействованы ли определенный ген и кодируемый им белок в определенной форме поведения.

Обратная генетика мышей стала возможной благодаря двум методам модификации отдельных генов. Первый — трансгеноз, позволяющий вводить чужеродный ген, так называемый трансген, в ДНК яйцеклетки мыши. После оплодотворения яйцеклетки трансген становится частью генома будущего мышонка. Затем взрослых трансгенных мышей разводят, чтобы получить генетически чистую линию, у всех представителей которой экспрессируется этот трансген. Во втором методе генетической модификации мышей задействовано выключение («нокаут») генов в мышином геноме. Этого добиваются посредством введения в ДНК мыши особого фрагмента генетического материала, который делает определенный ген нефункциональным и тем самым обеспечивает отсутствие белка, кодируемого данным геном, в организме мыши.

Мне становилось ясно, что эти достижения генной инженерии делали мышей превосходными подопытными животными для выявления генов и белков, ответственных за размыв формы долговременной потенциации. Теперь можно было узнать, как эти гены и белки связаны с формированием пространственной памяти. Хотя мыши — сравнительно простые млекопитающие, их головной мозг анатомически похож на человеческий, а гиппокамп у них, как и у людей задействован в формировании памяти о местах и предметах. Кроме того, мыши размножаются намного быстрее, чем более крупные млекопитающие, такие как кошки, собаки, обезьяны и люди. Благодаря этому большие популяции мышей с одинаковыми генами, в том числе трансгенами или нокаутными генами, можно получать за несколько месяцев.

Новые, революционные экспериментальные методы имели серьезные последствия для биомедицинских исследований. Почти каждый ген человеческого генома представлен несколькими вариантами, так называемыми аллелями, которые по-разному распределены среди людей. Генетические исследования неврологических и психических расстройств человека позволили выявить некоторые аллели, ответственные за поведенческие различия между здоровыми людьми, а также аллели, лежащие в основе многих неврологических заболеваний, таких как боковой амиотрофический склероз, раннее развитие болезни Альцгеймера, болезнь Паркинсона, хорея Хантингтона и некоторые формы эпилепсии. Возможность вводить болезнетворные аллели в геном мыши и исследовать, какие нарушения они вызывают в мозгу и поведении, произвела революцию в неврологии.

Последней из причин, побудивших меня заняться исследованиями генетически модифицированных мышей, стал приход в нашу лабораторию нескольких талантливых постдоков, среди которых были Сет Грант и Марк Мейфорд. Грант и Мейфорд намного лучше меня разбирались в генетике мышей и сильно повлияли на направление наших исследований. Грант был инициатором начала работ с генетически модифицированными мышами, а критическое мышление Мейфорда сыграло важную роль впоследствии, когда мы начали совершенствовать методы, которые использовали для первого поколения экспериментов по генетике поведения мышей.

Первые использованные нами методы получения трансгенных мышей сказывались на всех без исключения клетках в организме мыши. Нам нужно было найти способ ограничить свои генетические манипуляции мозгом, а именно теми его участками, в которых формируются нейронные цепи, обеспечивающие работу эксплицитной памяти. Мейфорд разработал приемы, позволяющие ограничить экспрессию внедренных в геном мыши генов определенными участками мозга. Он также разработал метод, позволяющий управлять временем экспрессии генов в мозгу, включая и выключая их. Эти достижения начали очередной этап нашей работы и нашли широкое применение у других исследователей. Они остаются краеугольными камнями современных методов изучения поведения на генетически модифицированных мышах.

Первые попытки связать долговременную потенциацию с пространственной памятью были предприняты в конце восьмидесятых. Ричард Моррис, физиолог из Эдинбургского университета, показал, что, блокируя NMDA-рецепторы определенными препаратами, можно блокировать и долговременную потенциацию, тем самым мешая работе пространственной памяти. Мы с Грантом в Колумбийском университете и Сусуму Тонегава и его постдок Алсино Силва в Массачусетском технологическом институте независимо друг от друга сделали еще один важный шаг вперед в этом направлении. Нашим группам удалось получить генетически модифицированных мышей по одной линии, у которых отсутствовал важный белок, который, как считалось, задействован в долговременной потенциации. Затем мы исследовали, как изменилось поведение генетически модифицированных мышей по сравнению с нормальными мышами.

Мы проверяли способности этих мышей, наблюдая за тем, как они выполняют некоторые стандартные задания по ориентации в пространстве. Например, мы помещали мышь в центр большой, хорошо освещенной круглой площадки белого цвета, вдоль края которой расположены сорок отверстий. Только одно из этих отверстий вело в убежище. Площадка находилась в небольшом помещении, все стены которого были украшены непохожими друг на друга узорами. Мыши не любят открытое пространство, особенно хорошо освещенное. В таких условиях они чувствуют себя беззащитными и пытаются скрыться в убежище. Единственный способ бежать с этой платформы состоял в том, чтобы найти отверстие, ведущее в убежище. Рано или поздно мышь обучается находить это отверстие, запоминая пространственную связь между ним и узорами на стенах помещения.

Пытаясь скрыться, мышь использует одну за другой три стратегии: случайную, последовательную и пространственную. Любая из этих стратегий позволяет найти нужное отверстие, но они сильно отличаются друг от друга по эффективности. Вначале мышь суется в разные отверстия в случайном порядке и быстро обучается тому, что это неэффективная стратегия. Затем она начинает последовательно изучать отверстия одно за другим, пока не находит путь в убежище. Данная стратегия лучше, но и она не оптимальна. Обе эти стратегии не относятся к пространственным: для их использования мышам не требуется иметь внутреннюю карту пространственного устройства окружающей среды, записанную в мозгу (не требуется и участие гиппокампа). Наконец мышь начинает использовать пространственную стратегию, в которой задействован гиппокамп. Она запоминает, на какую стену смотрит искомое отверстие, и направляется к нему по прямой, ориентируясь по узорам на стенах. Большинство мышей быстро проходит первые две стратегии и вскоре обучается использовать пространственную.

Затем мы сосредоточились на изучении долговременной потенциации в одном проводящем пути гиппокампа — так называемых коллатералях Шаффера. Ларри Сквайр из Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружил, что повреждения этого пути вызывают нарушения памяти, похожие на те, которыми страдал Г. М. (пациент Бренды Милнер). Мы установили, что, нокаутируя определенный ген, который кодирует белок, играющий важную роль в долговременной потенциации, можно нарушить синаптическое усиление в коллатералях Шаффера. Кроме того, с этим генетическим нарушением у мышей было связано нарушение пространственной памяти.

Лаборатория в Колд-Спринг-Харбор каждый год проводит симпозиум, посвященный какой-то одной важной биологической теме. Темой симпозиума 1992 года была поверхность клеток, но, поскольку наши исследования и исследования Сусуму Тонегавы сочли достаточно интересными, ради нас решили устроить отдельную секцию, не связанную с поверхностью клеток, чтобы мы могли выступить на ее заседании. Мы с Тонегавой представили наши эксперименты, посвященные тому, как нокаутирование единственного гена подавляет и долговременную потенциацию в одном из проводящих путей гиппокампа, и пространственную память. Эти наблюдения были пределом того, что было известно не тот момент о связи долговременной потенциации с пространственной памятью. Вскоре после этого мы оба сделали еще один шаг вперед, изучив связь долговременной потенциации с пространственной картой окружающей среды, представленной в гиппокампе.

До этого симпозиума мы с Тонегавой были немного знакомы. В семидесятых годах ему удалось разобраться в генетических основах разнообразия антител. Это был выдающийся вклад в иммунологию, за который в 1987 году он получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Оставив позади это достижение, он решил обратиться к нейробиологии и завоевывать новые научные миры. Он дружил с Ричардом Акселем, который и предложил ему встретиться со мной.

В 1987 году, когда Тонегава пришел ко мне, его особенно интересовала проблема сознания. Я старался поддержать его интерес к нейробиологии, но в то же время убедить отказаться от идеи изучать сознание, потому что для того времени эта область была слишком сложной и неопределенной, чтобы применять к ней молекулярный подход. Сусуму уже использовал генетически модифицированных мышей для изучения иммунной системы, поэтому намного более естественным и практичным выбором для него было обратиться к исследованию обучения и памяти, что он и сделал, когда в его лабораторию пришел Силва.

После 1992 года многие другие исследовательские группы тоже получили результаты, аналогичные нашим. Хотя связь между нарушениями долговременной потенциации и проблемами с пространственной памятью и не наблюдается в некоторых довольно важных случаях, тем не менее эта связь оказалась подходящим предметов исследования для изучения молекулярных механизмов долговременной потенциации и роли этих механизмов в работе памяти.

Мне было известно, что у мышей пространственная память, как и имплицитная память аплизий и дрозофил, состоит из двух компонентов: кратковременной памяти, которая не требует синтеза белков, и долговременной, которая требует его. Теперь мне хотелось выяснить, задействованы ли в формировании эксплицитной кратковременной и долговременной памяти особые синаптические и молекулярные механизмы. У аплизии формирование кратковременной памяти требует кратковременных синаптических изменений, вызываемых исключительно работой вторичных посредников. Для долговременной же требуются более устойчивые синаптические изменения, также основанные на изменениях в экспрессии генов.

Мы с коллегами исследовали срезы гиппокампа генетически модифицированных мышей и обнаружили, что в каждом из трех главных проводящих путей гиппокампа долговременная потенциация включает две фазы, похожие на фазы долговременного усиления связей у аплизии. Однократное воздействие серией электрических разрядов вызывает непродолжительную раннюю фазу долговременной потенциации, которая длится всего час, два или три и не требует синтеза новых белков. Реакция нейронов на подобную стимуляцию была именно такой, как ее описывал Роджер Николл: в постсинаптической мембране активировались NMDA-рецепторы, обеспечивая приток ионов кальция в постсинаптическую клетку. Кальций при этом действует как вторичный посредник, запуская долговременную потенциацию за счет усиления реакции AMPA-рецепторов на глутамат и стимуляции встраивания новых AMPA-рецепторов в постсинаптическую мембрану. Кроме того, в ответ на стимуляцию определенного характера постсинаптическая клетка может посылать сигнал в обратную сторону, в пресинаптическую клетку, чтобы та выделяла больше глутамата.

Многократное воздействие сериями электрических разрядов приводит к развитию поздней фазы долговременной потенциации, которая длится больше суток. Мы установили, что по своим свойствам эта фаза, которую детально еще никто не изучал, похожа на долговременное усиление синаптических связей у аплизии. В обоих случаях важную роль играют модуляторные интернейроны, которые у мышей служат для преобразования кратковременных гомосинаптических изменений в долговременные гетеросинаптические. У мышей эти нейроны выделяют дофамин — нейромедиатор, с помощью которого в мозгу млекопитающих работают механизмы внимания и подкрепления. Дофамин в гиппокампе мышей, подобно серотонину у аплизий, связывается с рецептором, который активирует фермент, повышающий концентрацию циклического АМФ. При этом существенно, что повышение концентрации циклического АМФ в гиппокампе мышей происходит в том числе и в постсинаптических клетках, в то время как у аплизии концентрация этого вещества повышается только в пресинаптических сенсорных нейронах. Циклический АМФ в обоих случаях активирует протеинкиназу А и другие протеинкиназы, что приводит к активации CREB-белка и включению структурных генов.

Одним из необычных открытий, сделанных нами ходе исследований памяти у аплизии, было обнаружение подавляющего работу памяти гена, кодирующего белок CREB-2. Подавление экспрессии этого гена у аплизии ускоряет увеличение силы синапсов и повышение их числа, связанные с долговременным усилением синаптических связей. Наши эксперименты на мышах показали, что у них подавление этого и других аналогичных генов, угнетающих работу памяти, усиливает долговременную потенциацию в гиппокампе и улучшает пространственную память.

В ходе этой работы у меня снова появилась приятная возможность сотрудничать со Стивеном Зигельбаумом. Нам нужно было разобраться с одним ионным каналом, подавляющим синаптическое усиление, особенно в некоторых дендритах. Мы с Олденом Спенсером уже исследовали эти дендриты в 1959 году и пришли к выводу, что потенциалы действия в них возникают в ответ на активацию перфорантного пути, ведущего из энторинальной коры в гиппокамп. Мы со Стивом вывели мышей, у которых не работал ген данного ионного канала. Оказалось, что у этих мышей долговременная потенциация в ответ на стимуляцию перфорантного пути существенно усилена, отчасти за счет дендритных потенциалов действия. В результате эти мыши отличались блестящими способностями: пространственная память у них была намного лучше, чем у нормальных мышей!

Кроме того, мы с коллегами выяснили, что для работы эксплицитной памяти в мозгу млекопитающих, в отличие от имплицитной у аплизий и дрозофил, требуется участие нескольких регуляторных генов в дополнение и генам CREB-белков. Хотя это требует уточнения, судя по всему, включение определенных генов у мышей тоже вызывает в анатомические изменения, а именно отрастание новых синаптических связей.

Несмотря на существенные поведенческие различия между имплицитной и эксплицитной памятью, некоторые механизмы работы имплицитной памяти, возникшие сотни миллионов лет назад у беспозвоночных, почти не изменились в ходе эволюции и легли в основу работы эксплицитной памяти в мозгу позвоночных. Хотя великий нейрофизиолог Джон Экклс и убеждал меня в начале моей научной карьеры не бросать исследования несравненного мозга млекопитающих ради работы с безмозглыми морскими слизнями, сегодня уже ясно, что существует целый ряд ключевых молекулярных механизмов работы памяти, общих для всех животных.

22. Мозг и его картина окружающего мира

Изучение эксплицитной пространственной памяти у мышей не могло не привести меня к более общим вопросам, которые в самом начале моей научной карьеры стимулировали увлечение психоанализом. Я снова стал размышлять о природе внимания и сознания — явлений психики, связанных не с простыми рефлекторными действиями, а со сложными психологическими процессами. Мне хотелось сосредоточиться на том, как представлен в мышином мозгу образ пространства, то есть внутренняя картина окружающего, в котором мышь ориентируется, и как внимание видоизменяет этот образ. Мне нужно было оставить работу с уже неплохо изученной нервной системой аплизии и перейти к изучению систем мозга млекопитающих, которое пока приносило (а отчасти и по-прежнему приносит) лишь немного интереснейших результатов и множество неразрешенных вопросов. Тем не менее пришло время попытаться продвинуть молекулярную биологию когнитивных функций еще на один шаг вперед.

Для исследования имплицитной памяти у аплизии я разработал нейробиологический и молекулярный подход к психическим процессам, который был построен на основаниях, заложенных Павловым и бихевиористами. Их методы были точны, но связаны с поведением в узком и ограниченном смысле, то есть прежде всего с двигательными реакциями. Наши же исследования эксплицитной памяти и гиппокампа ставили перед нами новую, сложнейшую научную задачу не в последнюю очередь потому, что запись и считывание пространственной памяти требуют участия осознанного внимания.

Я начал размышления о комплексной пространственной памяти и внутреннем отображении пространства в гиппокампе с того, что перевел внимание с бихевиоризма на когнитивную психологию — преемницу научного психоанализа. Ее создатели впервые занялись методичным исследованием того, как окружающий мир воссоздается и отображается у нас в мозгу.

Когнитивная психология возникла в начале шестидесятых как ответ на самоограничения бихевиоризма. Пытаясь сохранить в экспериментах свойственную бихевиоризму точность, основатели этой дисциплины сосредоточились на более сложных психических процессах, ближе к предмету психоанализа. Они, как и их предшественники, основавшие психоанализ, не удовлетворялись простым описанием моторных реакций, вызываемых сенсорными раздражителями. Их скорее интересовало изучение работающих в мозгу механизмов, которые обеспечивают связь раздражителя с реакцией на него, то есть преобразуют сенсорную реакцию в моторную. В рамках когнитивной психологии были разработаны эксперименты с поведением, позволяющие делать выводы о том, как сенсорная информация, поступающая от глаз и ушей, преобразуется в мозгу в образы, слова и действия.

Теоретическую основу когнитивной психологии составили два фундаментальных положении. Первым было кантовское представление о том, что в мозгу есть врожденные априорные знания — «знания, не зависимые от опыта». Эту идею впоследствии развили представители европейской школы гештальтпсихологии — еще одной предшественницы современной когнитивной психологии наряду с психоанализом. Гештальтпсихологи доказывали, что связность нашего восприятия есть конечный результат врожденной способности мозга находить смысл во всех явлениях окружающего мира, лишь некоторые черты которых отслеживаются органами чувств. Причина, по которой мозг может найти смысл, например, в ограниченных сведениях о видимой в поле зрения картине, состоит в том, что зрительная система не записывает картину пассивно, как видеокамера, а делает это творчески. Наше восприятие креативно: на основе двухмерных картин попадающего на сетчатку глаз света оно создает логически связное и устойчивое представление о воспринимаемом трехмерном мире. В нейронные проводящие пути мозга встроен сложный набор правил угадывания. Эти правила позволяют мозгу извлекать информацию из неполных картин, слагаемых входящими нейронными сигналами, и создавать на ее основе осмысленные образы. При этом наш мозг работает как настоящая машина для разгадывания всевозможных двусмысленностей.

Когнитивная психология продемонстрировала эту способность мозга в опытах с иллюзиями, то есть случаями, когда мозг неверно трактует зрительную информацию. Например, изображение, которое не содержит полных контуров треугольника, тем не менее воспринимается как треугольник, потому что мозг ожидает от зрительной информации, что она будет складываться в определенные образы (рис. 22–1). Подобные ожидания мозга встроены в анатомическую и функциональную структуру зрительных путей. Отчасти они определяются опытом, но во многом — врожденными особенностями строения зрительной системы.

22–1. Мозг достраивает картину, поступающую от органов чувств. Наш мозг интерпретирует двусмысленности, создавая на основе неполных данных цельные образы — например, дорисовывая недостающие границы треугольников. Если закрыть некоторые участки этих изображений, мозгу не на чем будет строить интерпретации, и треугольники пропадут.

Чтобы по достоинству оценить выработанные эволюцией навыки восприятия, стоит сравнить вычислительные способности нашего мозга и искусственных вычислительных устройств. Когда мы сидим в кафе под открытым небом и смотрим на прохожих, мы можем по совсем немногим признакам без труда отличать мужчин от женщин и знакомых от незнакомых. Нам кажется, что восприятие и распознавание предметов и людей не требуют особых усилий. Однако специалисты по информатике, которые разрабатывали искусственные распознавательные устройства, убедились, что для выявления таких отличий необходимы расчеты, которые еще не под силу современным компьютерам. Простая способность узнавать людей в лицо была бы огромным достижением для вычислительной техники. Все формы нашего восприятия (зрение, слух, обоняние и осязание) представляют собой колоссальные достижения в области вычислительных способностей.

Второе из положений, составивших основу когнитивной психологии, заключалось в том, что все эти достижения работают путем создания в мозгу внутреннего отображения окружающего мира (когнитивной карты), которое используется для формирования осмысленного образа всего, что мы видим и слышим. Затем эта когнитивная карта совмещается с информацией о событиях прошлого и настраивается через механизмы внимания. И наконец, полученные представления об окружающем мире используются для организации и планирования наших целенаправленных действий.

Идея когнитивной карты оказалась серьезным шагом вперед в изучении поведения и сблизила когнитивную психологию и психоанализ. Кроме того, она дала науке намного более общую и интересную концепцию психики, чем та, что была у бихевиористов. Но и у этой концепции имелись недостатки. Самый серьезный из них состоял в том, что понятие внутренних представлений, разработанное когнитивной психологией, было лишь хорошо продуманным предположением. Эти представления нельзя было напрямую исследовать, в связи с чем их сложно было подвергнуть объективному анализу. Чтобы увидеть эти внутренние представления, заглянув в черный ящик нашей психики, когнитивная психология должна была объединить усилил с биологией.

К счастью, в то самое время, когда зарождалась когнитивная психология, то есть в шестидесятые годы XX века, в биологии созревала другая дисциплина — физиология высшей нервной деятельности. В семидесятых и восьмидесятых годах началось сотрудничество бихевиористов и специалистов по когнитивной психологии с нейробиологами. В результате нейробиология — биологическая наука о нервной системе — начала сливаться с бихевиоризмом и когнитивной психологией — науками о психических явлениях. Из их слияния возникла синтетическая дисциплина — когнитивная нейробиология, важнейшим предметом которой стала биология внутренних представлений, а основу методологии составили два направления: электрофизиологические исследования того, как сенсорная информация отображается в мозгу животных, и томографические исследования работы сенсорных и других внутренних представлений в мозгу интактных, пребывающих в сознании людей.

Оба подхода были применены для исследований внутреннего представления пространства, которое мне и хотелось изучать, и результаты исследований показали, что ощущение пространства — действительно самое сложное из всех ощущений. Чтобы хоть как-то в нем разобраться, для начала нужно было принять к сведению все, что ученым уже удалось выяснить в ходе исследований более простых ощущений. К счастью для меня, самый большой вклад в эту область внесли Уэйд Маршалл, Вернон Маунткасл, Дэвид Хьюбел и Торстен Визел — люди, которых я знал и с работами которых был лично и хорошо знаком.

Электрофизиологические исследования сенсорных представлений начались с работ моего учителя Уэйда Маршалла, который первым исследовал, как осязание, зрение и слух представлены в коре головного мозга. Начал он с изучения осязания. В 1936 году он открыл, что соматосенсорная кора кошки содержит карту поверхности тела. Затем совместно с Филипом Бардом и Клинтоном Вулзи он очень подробно закартировал, как представлена вся поверхность тела в мозгу обезьян. Через несколько лет после этого Уайлдер Пенфилд закартировал соматосенсорную кору человека.

Эти физиологические исследования позволили открыть два принципа устройства сенсорных карт. Во-первых, как у людей, так и у обезьян каждая часть тела представлена в коре головного мозга в соответствии с определенной системой. Во-вторых, сенсорные карты — это не просто уменьшенные отображения поверхности тела в мозгу, а отображения с сильными искажениями. Каждая часть тела представлена в них пропорционально ее значению для сенсорного восприятия, а не размеру. Поэтому особо чувствительные кончики пальцев и губы представлены непропорционально шире, чем кожа спины, у которой намного больше площадь, но намного меньше чувствительность. Эти искажения отражают плотность сенсорной иннервации разных участков тела. Вулзи впоследствии обнаружил аналогичные искажения и у других подопытных животных. Например, у кроликов наиболее обширно представлена в мозгу поверхность морды и носа, потому что с их помощью кролики изучают окружающий мир. Как мы уже знаем, с опытом эти карты могут видоизменяться.

В начале пятидесятых Вернон Маунткасл из Университета Джонса Хопкинса сделал следующий шаг в изучении сенсорных карт, регистрируя сигналы в отдельных клетках. Он обнаружил, что отдельные нейроны соматосенсорной коры реагируют лишь на сигналы, поступающие от очень небольшого участка кожи, который он назвал рецептивным полем нейрона. Например, отдельный нейрон в области соматосенсорной коры левого полушария, соответствующей кисти прямой руки, будет реагировать лишь на раздражение определенного участка на кончике среднего пальца этой руки и ни на что другое.

Кроме того, Маунткасл установил, что осязание на самом деле состоит из нескольких подчиненных ощущений (субмодальностей). Например, чувствительность к прикосновению включает субмодальности сильного давления на кожу и слабого касания ее поверхности. Маунткасл обнаружил, что каждой субмодальности соответствует свой собственный проводящий путь в нервной системе и что обособленность этих путей поддерживается при каждой ретрансляции в мозговом стволе и таламусе. Интереснейшее проявление этой обособленности можно наблюдать в соматосенсорной коре, которая составлена из колонок нервных клеток, ведущих от поверхности в глубину. Каждая из этих колонок соответствует единственной субмодальности и единственному участку кожи. Поэтому все клетки одной колонки получают, например, только информацию о слабом прикосновении к самому кончику указательного пальца, а клетки другой — о сильном давлении на тот же участок. Работы Маунткасла показали, до какой степени сенсорная информация об осязательных раздражителях разбирается на составляющие. Все субмодальности анализируются отдельно и вновь собираются воедино лишь на поздних этапах обработки информации. Маунткасл также предложил ставшую теперь общепринятой идею, что эти колонки в коре головного мозга образуют элементарные модули обработки информации.

Другие ощущения (сенсорные модальности) устроены сходным образом. Особенно продвинутый анализ задействован у нас в зрительном восприятии. Зрительная информация, ретранслируемая из одной точки в другую по проводящему пути, ведущему от сетчатки в кору, тоже преобразуется строго определенным образом, вначале разбирается на составляющие, а затем вновь собирается воедино, причем мы всего этого не осознаем.

В начале пятидесятых годов Стивен Куффлер регистрировал сигналы отдельных клеток сетчатки и сделал неожиданное открытие: эти клетки передают сигналы вовсе не об абсолютном уровне освещенности, а скорее о контрасте между светлым и темным. Он обнаружил, что самым эффективным раздражителем, возбуждающим клетки сетчатки, служит не рассеянный свет, а маленькие пятнышки света. Дэвид Хьюбел и Торстен Визел установили, что аналогичный принцип работает и на следующем этапе ретрансляции — в таламусе. При этом они открыли одну поразительную вещь: как только сигнал достигает коры, он сразу преобразуется. Большинство нейронов коры не будет заметно реагировать на маленькие пятнышки света. Вместо этого они будут реагировать на контуры, протяженные границы между более светлыми и более темными участками, такими как края находящихся в нашем поле зрения предметов.

Самое удивительное, что каждый нейрон первичной зрительной коры отвечает только на границы светлого и темного, расположенные в поле зрения под определенным углом. Поэтому, если медленно вращать у нас перед глазами прямоугольный предмет, от чего будут изменяться углы наклона всех его сторон, на разные углы будут реагировать разные нейроны. Некоторые нейроны сильнее всего реагируют на вертикальные линии, другие — на горизонтальные, третьи — на расположенные под углом. Разборка зрительных образов на разнонаправленные линии служит, судя по всему, первым этапом кодирования формы видимых нами предметов. Впоследствии Хьюбел и Визел выяснили, что в зрительной коре, как и в соматосенсорной, нейроны со сходными свойствами (в данном случае — реагирующие на контуры со сходным углом наклона) тоже объединяются в колонки.

Эти работы вызвали у меня огромный интерес. Их вклад в развитие нейробиологии был очень велик: это были самые серьезные достижения в изучении устройства коры головного мозга со времен трудов Кахаля в конце XIX вена. Кахаль открыл, что популяции нейронов связаны друг с другом строго определенным образом, а Маунткасл, Хьюбел и Визел выяснили функциональное значение характера связей. Они показали, что эти связи позволяют фильтровать и преобразовывать сенсорную информацию на пути к коре и внутри коры и что кора состоит из функциональных модулей.

Благодаря работам Маунткасла, Хьюбела и Визела можно было начинать исследовать основы когнитивной психологии на клеточном уровне. Эти ученые подтвердили предположения гештальтпсихологов, показав, что наша уверенность в точности и непосредственности собственного восприятия представляет собой иллюзию вроде обмана зрения. Мозг не просто берет и воспроизводит поступающие от органов чувств необработанные данные. Каждая из его сенсорных систем вначале разбирает эти данные на составляющие и анализирует их, а затем вновь собирает воедино в соответствии со встроенными в данную систему связями и правилами — отголосками идей Иммануила Канта!

Наши сенсорные системы служат генераторами гипотез. Мы воспринимаем мир не напрямую и не таким, какой он есть, а так, как писал Маунткасл: «…от мозга, связанного с внешним миром несколькими миллионами тончайших нервных волокон — наших единственных информационных каналов, бесценных нитей, соединяющих нас с реальностью. Они же дают нам то, без чего невозможна сама жизнь: внешнюю стимуляцию, которая поддерживает наше сознание, чувство собственного „я“. Наши ощущения обеспечиваются кодировкой информации в сенсорных нервных окончаниях и работой интегрирующего нейронного аппарата центральной нервной системы. Чувствительные нервные волокна — это не высокоточные датчики, потому что одни свойства раздражителя они подчеркивают, а другими пренебрегают. Нейроны центральной нервной системы по сравнению с ними — настоящие выдумщики, которым никогда нельзя вполне доверять, потому что они допускают как качественные, так и количественные искажения. <…> Наше восприятие не воспроизводит окружающий мир, а создает его абстрактные модели».

Последующие исследования зрительной системы показали, что не только линии, образующие контуры зрительных образов, но и другие стороны зрительного восприятия (движение, удаленность, форма и цвет) тоже отделяются друг от друга и передаются по обособленным нейронным путям в мозг, где вновь собираются вместе и формируют согласованную единую картину. Важный этап этого обособления происходит в первичной зрительной коре, откуда берут начало два параллельных нейронных пути. Один из них (путь «что») передает информацию о форме видимых объектов, то есть о том, на что они похожи. Другой (путь «где») — о положении этих объектов в пространстве, то есть о том, где они находятся. Эти нейронные пути ведут в высшие области коры, которые осуществляют более сложную обработку информации.

Открытие того, что разные стороны зрительного восприятии могут обрабатываться в разных участках мозга, было предсказано Фрейдом еще в конце XIX века, когда он предположил, что неспособность некоторых пациентов распознавать определенные черты видимой картины мира связана не с расстройствами зрения (вызванными повреждениями сетчатки или зрительного нерва), а с нарушениями работы коры, влияющими на осмысление разных сторон этой картины. Такие нарушения, которые Фрейд назвал агнозиями (потерями знания), бывают весьма специфичными. Существуют, например, расстройства, вызываемые повреждениями нейронного пути «где» или нейронного пути «что». Человек с агнозией глубины, связанной с нарушением системы «где», не способен различать степень удаленности объектов, но в остальном может обладать прекрасным зрением. Один из таких людей не мог «оценить удаленность и толщину видимых объектов. <…> Даже очень полный человек мог быть движущейся картонной фигурой; все кажется совершенно плоским». В свою очередь люди с агнозией движения не ощущают движения объектов, но в остальном их восприятие может быть вполне нормальным.

Есть поразительные свидетельства того, что определенный участок пути «что» специализируется на распознавании лиц. Некоторые люди, перенесшие инсульт, понимают, что лицо — это лицо, но не способны увидеть в нем лицо конкретного человека. Люди с этим расстройством (прозопагнозией) нередко не узнают своих близких родственников и даже собственное лицо. Они не утрачивают способность отличать одного человека от другого, но утрачивают связь между лицом и конкретным человеком. Близких друзей и знакомых им приходится узнавать по голосу и другим не связанным со зрением признакам. Оливер Сакс в своей классической книге «Человек, который принял жену за шляпу» описывает страдавшего прозопагнозией пациента, который не узнал собственную жену, сидящую рядом с ним, и, думая, что это его шляпа, попытался взять ее и надеть себе на голову, прежде чем покинуть кабинет Сакса.

Как информация о движении, удаленности, цвете и форме, передаваемая по разным нейронным путям, собирается в единую связную картину восприятия? Эта проблема, так называемая проблема связывания, имеет отношение к проблеме единства сознательного опыта, то есть того, почему мы видим мальчика, едущего на велосипеде, не как движение без зрительного образа и не как неподвижную картинку, а как единый цветной и трехмерный движущийся образ. Считается, что проблема связывания решается путем временной ассоциации нескольких независимых нейронных проводящих путей, выполняющих разные функции. Как и где происходит это связывание? Об этом очень метко написал Семир Зеки — один из ведущих исследователей зрительного восприятия, работающий в Университетском колледже Лондона: «На первый взгляд проблема интеграции может показаться совсем простой. Логически она не требует ничего, кроме того, чтобы все сигналы, поступающие от специализированных зрительных областей, сошлись вместе, чтобы „отчитаться“ о результатах деятельности какой-то одной, главной области коры. Затем эта главная область должна произвести синтез информации, поступающей от этих разных источников, и дать нам окончательный образ — по крайней мере, так может показаться. Но у мозга своя логика. <…> Если все зрительные области отчитываются перед какой-то одной главной областью коры, то перед кем или чем отчитывается сама область? Сформулируем это более наглядно: кто смотрит на зрительный образ, выдаваемый этой главной областью? Данная проблема относится не только и зрительному образу и зрительной коре. Кто, например, слышит музыку, выдаваемую главной слуховой областью, или ощущает запах, выдаваемый главной областью обонятельной коры? На самом деле следовать этой красивой схеме нет смысла. Потому что здесь мы подходим к одному важному анатомическому факту, который может показаться не столь красивым, но, возможно, в итоге прольет больше света: единственной области коры, перед которой отчитываются все другие, не существует ни в зрительной, ни в какой-либо другой системе. Иначе говоря, кора должна использовать какую-то другую стратегию для создания интегрированного зрительного образа».

Ученый, занимающийся когнитивной нейробиологией, может, заглянув в мозг подопытного животного, увидеть, в каких клетках запускаются потенциалы действия, прочесть, что они говорят, и разобраться в том, что при этом воспринимает мозг. Но какой стратегией пользуется сам мозг, когда читает свои сигналы? Этот вопрос, связанный с природой единства нашего сознательного опыта, остается одной из многих неразгаданных тайн новой науки о психике.

Первые подходы к его исследованию разработали Эд Эвартс, Роберт Вурц и Майкл Голдберг из Национальных институтов здоровья. Они воспользовались методами, позволяющими регистрировать активность отдельных нейронов в мозгу интактных, находящихся в сознании обезьян, сосредоточившись на когнитивных заданиях, требующих действий и внимания. Эти новые методы позволили другим исследователям, таким как Энтони Мовшон из Нью-Йоркского университета и Уильям Ньюсом из Стэнфорда, найти связь между сигналами отдельных клеток мозга и сложным поведением (то есть восприятием и действиями) и отследить эффект стимуляции или подавления активности небольшой группы клеток на такое поведение.

Кроме того, эти методы дали возможность исследовать, как под действием концентрации внимания и принятия решений видоизменяются сигналы отдельных нервных клеток, задействованных в обработке информации, связанной с восприятием и двигательной активностью. Таким образом, в отличие от бихевиоризма, который сосредоточился на абстрактном понятии внутреннего представления, наука, возникшая из слияния когнитивной психологии с клеточной нейробиологией, открыла настоящие материальные представления (механизмы обработки информации), обеспечивающие определенные поведенческие реакции. Эти работы продемонстрировали, что неосознанные умозаключения, описанные Гельмгольцем в 1860 году, то есть процессы неосознанной обработки информации на пути от раздражителя до реакции, можно исследовать и на клеточном уровне.

Клеточные исследования внутренних представлений сенсорной и моторной деятельности в коре головного мозга получили дальнейшее развитие в восьмидесятые годы в связи с внедрением методов функциональной томографии мозга. Методы типа позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и функциональной магнитно-резонансной томографии (ФМРТ) позволили найти в мозгу места, ответственные за множество сложных поведенческих функций. Это был колоссальный шаг вперед на пути, который проложили Поль Брока, Карл Вернике, Зигмунд Фрейд и британские неврологи Джон Хьюлингс Джексон и Оливер Сакс. Благодаря новым методам исследователи смогли заглянуть в работающий мозг и увидеть в действии не только отдельные клетки, но и целые нейронные цепи.

Я пришел и убеждению, что для того, чтобы понять молекулярные механизмы пространственной памяти, нужно было прежде всего разобраться, как информация о пространстве представлена в гиппокампе. В связи с важностью пространственной памяти для эксплицитной памяти в целом можно было ожидать, что пространственная память об окружающем мире имеет обширное внутреннее представление в гиппокампе. Это ясно даже из анатомических соображений. У птиц, для которых пространственная память особенно важна (например, у тех, которые прячут запасы еды во множестве разных мест), гиппокамп крупнее, чем у других.

Еще один наглядный пример — лондонские таксисты. В отличие от работающих в других городах, в Лондоне таксистам нужно сдавать серьезный экзамен, чтобы получить право заниматься извозом. В ходе этой проверки они должны продемонстрировать, что знают названия всех улиц в Лондоне и наилучшие маршруты из одной точки в другую. Функциональная магнитно-резонансная томография показала, что после двух лет такого серьезного изучения ориентации по улицам города у лондонских таксистов развивается более крупный гиппокамп, чем у других людей того же возраста. Более того, размер их гиппокампа продолжает увеличиваться, пока они работают таксистами. Томографические исследования также показали, что гиппокамп активируется во время воображаемого движения, когда таксиста просят вспомнить, как доехать до того или иного места. Как же информация о пространстве представлена в гиппокампе на клеточном уровне?

Чтобы найти ответ на этот вопрос, я воспользовался методами и достижениями молекулярной биологии в экспериментах, основанных на уже проводившихся ранее опытах с внутренним представлением пространства у мышей.

Мы начали с того, что использовали генетически модифицированных мышей для исследования влияния работы отдельных генов на долговременную потенциацию в гиппокампе и на эксплицитную пространственную память. Теперь мы были готовы заняться вопросом, как долговременная потенциация помогает стабилизировать внутреннее представление пространства и как внимание (необходимая составляющая формирования эксплицитной памяти) видоизменяет это представление. Комбинированный подход (включающий все от молекул до психики) открывал дорогу молекулярно-биологическим исследованиям обучения и внимания и дорисовывал контуры той синтетической дисциплины, из которой возникла новая наука о психике.

23. Концентрация внимания

Знания о пространстве играют ключевую роль в поведении всех живых существ, от моллюсков до людей. Как отмечал Джон О'Киф, «пространство играет заметную роль во всем нашем поведении. Мы в нем живем и передвигаемся, исследуем его и защищаем». Ощущение пространства — не только важное, но и интересное явление, потому что, в отличие от других ощущений, у него нет собственного органа чувств. Как же наш мозг получает внутреннее представление о пространстве?

Кант, один из тех мыслителей, чьи идеи лежат у истоков когнитивной психологии, доказывал, что способность представлять пространство встроена в наш мозг. Он писал, что в людях от рождения заложены основы восприятия пространства и времени, поэтому, когда у нас возникают какие-либо ощущения (будь то зрительные образы, звуки или что-то осязаемое), они автоматически определенным образом соотносятся с нашими представлениями о пространстве и времени. О'Киф применил логику кантовских рассуждений о пространстве к эксплицитной памяти. Он доказывал, что во многих формах эксплицитной памяти (например, в памяти на людей и предметы) используются пространственные координаты, то есть людей и события мы обычно запоминаем в пространственном контексте. Эта идея была не нова. Еще в 55 году до н. э. Цицерон, великий древнеримский поэт и оратор, описывал греческий метод запоминать слова (по сей день используемый некоторыми актерами), представляя себе ряд комнат в большом доме, ассоциируя слова с каждой из них, а затем мысленно проходя по этим комнатам в правильном порядке.

Поскольку у нас нет специального органа чувств для восприятия пространства, представление о пространстве является в полной мере когнитивной способностью, имеющей самое непосредственное отношение к проблеме связывания. Для получения этого представления мозг должен объединять входящие сигналы, получаемые от нескольких разных сенсорных модальностей (ощущений), а затем создавать единое внутреннее представление, которое основано на сигналах, поступающих от всех модальностей вместе, а не от какой-то одной из них. Информация о пространстве обычно представлена у нас в мозгу во многих участках и многими разными способами, причем свойства каждого из этих представлений могут меняться в зависимости от того, какой цели они служат. Для некоторых представлений пространства мозг обычно использует эгоцентрические координаты (сосредоточенные на получателе сигналов), в которых кодируется, например, положение пятна света на сетчатке, или источника запаха, или осязательных ощущений относительно тела. Эгоцентрическое представление служит людям и обезьянам для ориентации на источник внезапного звука, в сторону которого направляется взгляд, дрозофилам — для избегания источника запаха, с которым связаны неприятные ассоциации, и аплизиям — для работы рефлекса втягивания жабр. Для других форм поведения, например связанных с пространственной памятью у мышей или людей, мозг должен кодировать положение организма по отношению к окружающему миру и положение объектов по отношению друг к другу. Для этих целей мозг пользуется аллоцентрическими (сосредоточенными на окружающем) координатами.

Исследования более простых осязательных и зрительных сенсорных карт головного мозга, основанных на эгоцентрических координатах, стали плацдармом для исследований более сложных аллоцентрических представлений пространства. Но пространственная карта, которую открыл О'Киф в 1971 году, принципиально отличается от эгоцентрических осязательных и зрительных сенсорных карт (которые открыли Уэйд Маршалл, Вернон Маунткасл, Дэвид Хьюбел и Торстен Визел), потому что она основана на разных ощущениях, а не на каком-то одном из них. В самом деле, когда мы с Олденом Спенсером в 1959 году пытались разобраться в том, как сенсорная информация поступает в гиппокамп, мы регистрировали сигналы отдельных нейронов, действуя раздражителями на разные органы чувств, но не смогли получить ярко выраженной реакции. Тогда мы еще не понимали, что гиппокамп задействован в восприятии окружающего, поэтому в нем представлены сложные мультисенсорные (связанные с несколькими органами чувств) ощущения.

Джон О'Киф первым понял, что в гиппокампе крыс содержится мультисенсорное представление окружающего пространства. Он выяснил, что, когда крыса ходит по клетке, в некоторых нейронах места потенциалы действия запускаются лишь тогда, когда она занимает определенное положение, а если она переходит в другое место, потенциалы действия запускаются в других нейронах. Мозг разбивает окружающее на множество небольших перекрывающихся областей, похожих на элементы мозаики, и каждая из них представлена активностью определенных клеток гиппокампа. После того как крыса попадает в новую среду, у нее за минуты вырабатывается эта внутренняя пространственная карта.

Я начал размышлять о пространственных картах в 1992 году и задумался, как они формируются, как поддерживаются и как внимание управляет их формированием и поддержанием. Меня поразил тот установленный О'Кифом и его коллегами факт, что даже пространственная карта очень просто устроенного места формируется не мгновенно, а в течение десяти — пятнадцати минут после того, как крыса попадает в новую среду. Этот факт заставлял предположить, что формирование пространственной карты есть процесс обучения и что повторение — мать учения и в случае с пространством. При оптимальных условиях эта карта не меняется неделями или даже месяцами, совсем как некоторые формы памяти.

В отличие от зрения, осязания и обоняния, обеспечиваемых врожденными системами и основанных на кантовских априорных знаниях, пространственные карты демонстрируют новый тип сенсорных представлений, основанный на сочетании априорных знаний и обучения. Общая способность формировать сенсорные карты встроена в мозг, но частные сенсорные карты в него не встроены. Клетки места, в отличие от нейронов сенсорных систем, включаются не внешними раздражителями. Совместная деятельность этих клеток соответствует месту, в котором животное думает, что находится.

Мне же теперь хотелось узнать, не служат ли для формирования и поддержания пространственной карты те же молекулярные механизмы, которые обеспечивали долговременную потенциацию и работу пространственной памяти в наших экспериментах с гиппокампом. Хотя О'Киф открыл клетки места еще в 1971 году, а Блисс и Лемо обнаружили долговременную потенциацию в гиппокампе в 1973 году, никто еще не пытался связать эти два открытия друг с другом. В 1992 году, когда мы начали изучать пространственные карты, о молекулярных процессах, обеспечивающих их формирование, еще не было известно. Эта ситуация лишний раз доказывает, почему работа на стыке двух дисциплин (в данном случае — клеточной биологии нейронов места и молекулярной биологии межклеточной передачи сигналов) нередко оказывается очень плодотворной. Задачи и результаты научного эксперимента во многом определяются интеллектуальным контекстом, в рамках которого работает экспериментатор. Мало что в науке может сравниться по увлекательности с внедрением нового образа мышления, связанного с одной дисциплиной, в другую. Именно такое перекрестное оплодотворение научных дисциплин и имели в виду мы с Джимми Шварцем и Олденом Спенсером, когда в 1965 году назвали наше новое подразделение Нью-Йоркского университета отделением нейробиологии и поведения.

Наша совместная работа с Робертом Маллером, одним из первых исследователей клеток места, показала, что некоторые молекулярные процессы, обеспечивающие долговременную потенциацию, действительно необходимы и для долговременного сохранения пространственной карты. Мы знали, что протеинкиназа А включает структурные гены, тем самым запуская синтез белков, необходимых для осуществления поздней фазы долговременной потенциации. Аналогичным образом, хотя ни протеинкиназа А, ни синтез белков не требуется для запуска формирования пространственной карты, и то и другое необходимо для того, чтобы надолго закрепить эту карту, давая мыши возможность вспоминать ее каждый раз, когда она попадает в ту же среду.

Открытие того, что протеинкиназа А и синтез белков требуются для закрепления пространственной карты, поднимало еще один вопрос. Дает ли животным эксплицитную пространственную память именно та карта, которую мы наблюдаем в гиппокампе, то есть она ли позволяет им демонстрировать свое знакомство с соответствующей средой? Составляют ли такие карты то самое внутреннее представление пространства — нейронную основу эксплицитной пространственной памяти? О'Киф с самого начала рассматривал когнитивные карты как внутренние представления пространства, которые служат животным для ориентирования. Поэтому он видел в таких картах орудие ориентирования вроде компаса, а не собственно память. Мы исследовали этот вопрос и выяснили, что, если блокировать работу протеинкиназы А или подавлять синтез белков, это приводит к нарушениям не только долговременной устойчивости пространственной карты, но и способности к долговременному сохранению пространственной памяти. Таким образом, мы получили прямые генетические свидетельства того, что данные карты связаны с пространственной памятью. Кроме того, мы установили, что пространственная память, как и простая эксплицитная память, связанная с рефлексом втягивания жабр у аплизии, тоже делится на краткосрочную и долгосрочную составляющие, то есть процессы, задействованные в выработке карты (и сохранении ее в течение нескольких часов) и долговременном поддержании ее в устойчивом форме.

Несмотря на некоторые черты сходства, между нашей эксплицитной пространственной памятью и имплицитной памятью есть принципиальные отличия. В частности, для записи и считывания эксплицитной памяти требуется избирательное внимание. Поэтому теперь, чтобы исследовать связь эксплицитной памяти с нервной деятельностью, нам нужно было обратиться к проблеме внимания.

Считается, что избирательное внимание играет немалую роль в восприятии, действии и памяти, обеспечивая единство сознательного опыта. На каждое животное в любой момент времени действует море разнообразных сенсорных раздражителей, но животное обращает внимание лишь на один или очень немногие из них, игнорируя или подавляя действие остальных. Способность мозга обрабатывать сенсорную информацию намного скромнее, чем способность связанных с ним рецепторов собирать эту информацию из окружающей среды. Внимание служит фильтром, отбирающим некоторую часть поступающих сведений для дальнейшей обработки. Во многом именно благодаря избирательному вниманию внутренние представления не воспроизводят окружающий мир во всех его подробностях, а по одним лишь сенсорным раздражителям нельзя предсказать любую моторную реакцию. В своих сиюминутных ощущениях мы настроены на какие-то определенные компоненты сенсорной информации, а всеми остальными пренебрегаем (в той или иной степени). Когда вы отрываете взгляд от этой книги, чтобы посмотреть на человека, входящего в комнату, вы уже не обращаете внимания на слова, напечатанные на странице. При этом вы не обращаете внимания и на то, как выглядит комната, и на других людей, которые могут в ней находиться. Если впоследствии вас попросят описать свои ощущения, вы, скорее всего, вспомните, что в комнату вошел человек, а не то, что на стене была небольшая царапина. Эта способность настраивать сенсорный аппарат есть неотъемлемое свойство всего восприятия, как еще в 1890 году отмечал Уильям Джеймс в своем эпохальном труде «Принципы психологии»: «Миллионы объектов <…> действуют на мои органы чувств, но никогда не станут частью моего опыта. Почему? Потому что они не представляют для меня никакого интереса. Мой опыт — это то, на что я готов обратить внимание. <…> Все знают, что такое внимание. Это сосредоточенность сознания в ясной и отчетливой форме на каком-то одном из нескольких кажущихся доступными объектов или направлений мысли. По сути, это настройка, концентрация сознания. Внимание предполагает отказ от одних вещей ради того, чтобы успешнее заниматься другими».

Внимание также позволяет нам связывать разные компоненты пространственного образа в единое целое. Постдок Клифф Кентрос и я решили исследовать связь внимания с пространственной памятью, задавшись вопросом о том, необходимо ли внимание для создания пространственной карты, а если необходимо, то как именно оно влияет на ее формирование и закрепление. Чтобы это проверить, мы испытывали мышей в четырех опытах, требующих разных степеней концентрации внимания. Первая степень — это базовое или поверхностное внимание, работающее даже в отсутствие дополнительных раздражителей. В соответствующем опыте мыши бегали по клетке, где их не отвлекали никакие раздражители. Во втором опыте они должны были находить еду (для чего требуется немного больше внимания), в третьем — отличать одну среду от другой, а в четвертом — выполнять задание на запоминание пространства. Мы сделали экспериментальную установку; где мыши, которые бегали по клетке, периодически подвергались воздействию неприятных звуков и вспышек света. Единственный способ их выключить состоял в том, чтобы найти небольшой, никак не обозначенный безопасный участок и сидеть там какое-то время. Мыши умеют находить такой участок без особого труда.

Мы установили, что даже поверхностного внимания достаточно, чтобы у мыши сформировалась и закрепилась на несколько часов пространственная карта, но через три — шесть часов такая карта становится неустойчивой. Долговременное закрепление карты сильно и последовательно зависит от степени, с которой мыши приходится уделять внимание определенным особенностям окружающей среды. Так, если мыши приходится концентрировать внимание на новой среде, выполняя одновременно с исследованием этой среды задание на запоминание пространства, то пространственная карта сохраняет устойчивость на много дней, и мышь без труда вспоминает, как выполнять это задание, пользуясь полученными сведениями об окружающей среде.

Каков механизм концентрации внимания в мозгу? Какую роль он играет в ускоренном кодировании информации об окружающем пространстве и облегченном считывании этой информации по прошествии долгого времени? Мне уже было известно, что внимание — это не просто загадочная сила, действующая в мозгу, а модуляторный процесс. Майкл Гольдберг и Роберт Вурц из Институтов здоровья установили, что внимание усиливает реакцию нейронов зрительной системы на раздражители. Судя по всему, в явлениях, связанных с вниманием, был задействован модуляторный проводящий путь, медиатором в котором служит дофамин. Клетки, вырабатывающие дофамин, сосредоточены в среднем мозге, а их аксоны доходят до гиппокампа. Более того, мы выяснили, что подавление действия дофамина в гиппокампе отключает закрепление пространственной карты у животных, внимание которых было сконцентрировано на окружающем пространстве, а активация дофаминовых рецепторов гиппокампа, напротив, приводит к закреплению пространственной карты у животных, внимание которых не было сконцентрировано. Аксоны выделяющих дофамин нейронов среднего мозга посылают сигналы в несколько разных областей мозга, в том числе в гиппокамп и префронтальную кору. При этом префронтальная кора, которая участвует в преднамеренных действиях, передает сигналы обратно в средний мозг, корректируя активность этих нейронов. Наше открытие того, что некоторые из областей мозга, участвующих в произвольных действиях, участвуют также в работе внимания, подкрепляло представление о том, что избирательное внимание играет принципиальную роль в единстве сознательного опыта.

Уильям Джеймс в книге «Принципы психологии» отмечал, что есть разные формы внимания. Внимание бывает по крайней мере двух типов: непроизвольное и произвольное. Непроизвольное внимание обеспечивается нейронными механизмами, действующими автоматически, и особенно ярко проявляется в формировании имплицитной памяти. Например, в опытах с выработкой классических условных рефлексов животные будут обучаться ассоциировать один раздражитель с другим в том и только в том случае, если условный раздражитель будет заметным или неожиданным. Непроизвольное внимание активируется определенными свойствами окружающего мира (или раздражителя): его привлекает, по Джеймсу «все большое, яркое, движущееся или кровь». Произвольное внимание, такое как внимание на дороге и на движение при вождении машины, напротив, свойственно именно эксплицитной памяти и возникает из внутренней потребности обрабатывать информацию о раздражителях, которые автоматически не привлекают внимания.

Джеймс утверждал, что наше произвольное внимание это явно сознательный процесс. Поэтому у нас есть все основания полагать, что он запускается в коре головного мозга. Исходя из редукционистского подхода, в обеих формах внимания должны быть задействованы биологические сигналы о заметности раздражителя, например передаваемые модуляторными нейромедиаторами, которые регулируют деятельность или конфигурацию нейронных сетей.

Наши молекулярные работы с аплизией и мышами подтверждали представления Джеймса о существовании двух форм внимания, произвольной и непроизвольной. Принципиальное различие между ними состоит не в отсутствии или присутствии заметных раздражителей, а в том, сознательно или бессознательно воспринимается сигнал о заметности. Так, когда мне нужно было научиться находить дорогу от моего дома в Ривердейле до дома моего сына в Вестчестере, я концентрировал свое внимание сознательно. Но когда мою машину, едущую по дороге, внезапно подрезала другая, я нажимал на тормоз машинально. Результаты ряда исследований также заставляют предположить, что, как и утверждал Джеймс, фактором, определяющим, какая формируется память, имплицитная или эксплицитная, служит способ получения сигнала о заметности, вызывающего концентрацию внимания.

Как мы убедились, в обоих типах памяти преобразование кратковременной памяти в долговременную требует активации генов и, судя по всему, в обоих случаях модуляторные нейромедиаторы служат для передачи сигнала, обеспечивающего концентрацию внимания, который говорит о значимости раздражителя. В ответ на этот сигнал включаются гены и синтезируются белки, которые поступают во все синапсы. Например, у аплизии протеинкиназу А активирует серотонин, а у мыши — дофамин. Но между механизмами возникновения сигналов о заметности при работе имплицитной памяти, лежащей в основе сенсибилизации у аплизии, и при работе эксплицитной памяти, необходимой для формирования пространственной карты у мыши, есть принципиальная разница.

При формировании имплицитной памяти у аплизии сигнал, концентрирующий внимание, возникает рефлекторно и идет снизу вверх: удар током вызывает активацию сенсорных нейронов задней части тела, которые воздействуют непосредственно на клетки, выделяющие серотонин. А при формировании пространственной памяти у мышей выделение дофамина, судя по всему, вызывается произвольно, сверху вниз: кора головного мозга активирует клетки, выделяющие дофамин, а дофамин регулирует активность нейронов гиппокампа (рис. 23–1).

23–1. Сигнал о значимости а долговременной имплицитной и эксплицитной памяти. В случае имплицитной (бессознательной) памяти действие внешнего раздражителя автоматически вызывает сигнал о значимости (выделение серотонина), который вызывает активацию генов и обеспечивает формирование долговременной памяти. В случае эксплицитной (сознательной) памяти кора головного мозга произвольно посылает сигнал о значимости (выделение дофамина), вызывающий концентрацию внимания, которая регулирует активность нейронов гиппокампа и обеспечивает формирование долговременной памяти.

Эта идея о том, что в обеспечивающих концентрацию внимания процессах, запускаемых снизу вверх и сверху вниз, используются сходные молекулярные механизмы, подтверждалась еще одним открытым нами механизмом, который мог быть задействован в закреплении памяти в обоих рассматриваемых случаях. В гиппокампе мыши содержится по крайней мере один прионоподобный белок, похожий на те, что Каусик Си открыл у аплизии. Мартин Тайс, постдок из Германии, и я установили, что дофамин регулирует количество прионоподобного CPEB-белка (CPEB-3) в гиппокампе мыши примерно так же, как серотонин — количество и состояние CPEB-белка у аплизии. Этот результат открывал интересную возможность (пока еще только возможность), что пространственные карты могут закрепляться за счет того, что концентрация внимания приводит к выделению дофамина в гиппокампе, которое вызывает переход в самоподдерживающееся состояние, тоже обеспечиваемое CPEB-белком. Открытие важной роли внимания в закреплении пространственной карты поднимает еще один вопрос: похожи ли у всех нас пространственные карты, формируемые в ходе обучения? А именно — одинаковы ли стратегии, которыми пользуются мужчины и женщины для ориентации в окружающем мире? Это интереснейший вопрос, который биологи еще только начинают исследовать.

О'Киф, открывший клетки места в гиппокампе, продолжил исследования пространственной ориентации, обратившись к вопросу о различиях между полами. Он обнаружил отчетливую разницу между способами концентрации внимания при ориентации в окружающем пространстве у мужчин и женщин. Женщины пользуются при этом ближайшими ориентирами. Поэтому, если спросить у женщины дорогу, она, скорее всего, скажет: «Возле аптеки поверните направо, а потом поезжайте прямо, пока не увидите по левую руку белый дом в колониальном стиле с зелеными ставнями». Мужчины же больше полагаются на внутренние геометрические карты. Мужчина, скорее всего, скажет: «Когда проедете пять миль на север, поверните направо и оттуда еще полмили на восток». Томографические исследования мозга показывают, что у мужчин и женщин, когда они думают о пространстве, активируются разные участки мозга: гиппокамп левого полушария у мужчин и теменная и префронтальная кора правого полушария у женщин. Результаты этих исследований свидетельствуют о возможных выгодах групповой работы, позволяющей оптимальным образом совмещать обе стратегии.

Различия между полами в способе формирования пространственных карт приобретают дополнительное значение, если рассмотреть их в более широком контексте. В какой степени у мужчин и женщин различаются строение мозга и стиль работы памяти? врожденные ли это отличия или они развиваются под влиянием обучения и социальных стереотипов? Ответив на эти вопросы, нейробиология поможет нам в принятии многих важных решений, регулирующих жизнь общества.

24. Маленькая красная таблетка

Занимаясь проблемами памяти, нельзя не осознавать, как велика потребность в препаратах, улучшающих ее, нарушенную болезнью или ослабленную возрастом. Но прежде, чем новые препараты поступят в продажу, они должны пройти проверку на подопытных животных. Учитывая, что мы как раз занимались изучением имплицитной и эксплицитной памяти у животных, мы решили заняться поиском новых подходов к борьбе с нарушениями памяти. И снова время сыграло нам на руку. Как раз в начале девяностых, когда мы начали получать генетически модифицированных мышей для исследования природы памяти и ее нарушений, в разработке лекарственных препаратов возникало новое направление.

До 1976 года внедрение новых научных открытий в медицинскую практику в Соединенных Штатах шло медленно, а люди вроде меня, занимающиеся академической наукой, не особенно интересовались сотрудничеством с фармацевтической промышленностью для разработки лекарственных препаратов. Но в тот год ситуация радикально изменилась. Роберт Суонсон, двадцативосьмилетний рисковый инвестор, понял, какие возможности для фармацевтики открывает генная инженерия, и убедил Герберта Бойера, профессора Калифорнийского университета в Сан-Франциско и одного из новаторов в этой области, основать вместе с ним корпорацию Genentech (Genetic engineering technologies — «Генно-инженерные технологии»). Это была первая биотехнологическая компания, специализировавшаяся на внедрении в производство лекарственных препаратов на основе белков, полученных с помощью генной инженерии. Суонсон и Бойер вложили в это предприятие по пятьсот долларов и скрепили договор рукопожатием. После этого Суонсон добыл еще несколько сотен тысяч, и компания заработала. В настоящее время ее стоимость составляет около 20 млрд[33].

Незадолго до этого биологи научились быстро считывать последовательность нуклеотидов в ДНК и разработали ряд эффективных методов генной инженерии. Эти методы позволяли вырезать определенные последовательности хромосом, сшивать их друг с другом и вставлять в геном кишечной палочки, получая множество копий нового гена, которые могли экспрессироваться в бактериальной клетке и производить соответствующий белок. Бойер одним из первых понял, что гены многоклеточных животных, в том числе человеческие, можно экспрессировать в бактериальных клетках. Более того, он сыграл заметную роль в разработке методов, позволяющих это делать.

Основатели корпорации Genentech планировали использовать метод рекомбинантной ДНК, чтобы в большом количестве синтезировать два человеческих гормона, имеющих немалое медицинское значение: инсулин и гормон роста. Инсулин, выделяемый в кровь поджелудочной железой, позволяет регулировать уровень сахара в крови, а гормон роста, выделяемый гипофизом, регулирует процессы роста и развития. Чтобы доказать возможность широкомасштабного производства этих двух довольно сложных белков, корпорация Genentech начала с получения более простого белка[34] соматостатина — гормона, выделяемого в кровь поджелудочной железой и подавляющего выделение инсулина.

До 1976 года количество соматостатина, инсулина и гормона роста, доступного для медицинского использования, было ограничено. Инсулина и соматостатина было мало, потому что их приходилось выделять из организмов свиней и коров. Поскольку последовательности аминокислот в соответствующих гормонах людей и этих животных немного отличаются, иногда гормоны животных вызывали у людей аллергические реакции. Гормон роста добывали из человеческих гипофизов, извлеченных из трупов. Помимо того что получаемого препарата тоже не хватало, иногда он оказывался зараженным прионами — инфекционными белками, вызывающими болезнь Кройцфельдта — Якоба — смертельное заболевание, вызывающее прогрессирующее слабоумие, от которого умер Ирвинг Купферман. Использование рекомбинантной ДНК открывало возможность синтезировать эти гормоны с помощью человеческих генов и производить их в неограниченных количествах намного более дешевым способом, не заботясь о безопасности. Бойер и Суонсон понимали, что, клонируя человеческие гены, можно будет получать для медицинских нужд эти и другие белки, а когда-нибудь и лечить наследственные заболевания, заменяя поврежденные гены пациентов клонированными нормальными генами.

В 1977 году через год после основания совместного предприятия с Суонсоном, Бойер разработал метод клонирования генов, позволяющий в больших количествах синтезировать соматостатин, тем самым продемонстрировав, что с помощью рекомбинантной ДНК можно наладить производство препаратов, обладающих большой медицинской и коммерческой ценностью. Три года спустя сотрудникам Genentech удалось клонировать ген человеческого инсулина.

Через два года после корпорации Genentech была основана компания Biogen — второе ведущее биотехнологическое предприятие. Но за эти два года произошли колоссальные изменения. Компания Biogen была создана не молодым предпринимателем, поначалу действовавшим в одиночку, а Кевином Лэндри и Дэниэлом Адамсом — двумя крупными инвесторами, представлявшими серьезные венчурные фирмы. Они начали не с тысячи долларов и рукопожатия, а с 750 тыс. долларов и пакета контрактов, позволивших собрать несравненную команду биотехнологов. Инвесторы обратились с предложениями к лучшим и способнейшим специалистам: вначале к Уолтеру Гилберту из Гарварда, а затем к Филлипу Шарпу из Массачусетского технологического института, Шарлю Вайсману из Цюрихского университета, Петеру Хансу Хофшнайдеру из мюнхенского Института биохимии Макса Планка и Кеннету Марри из Эдинбургского университета. После некоторых переговоров все они согласились работать на новое предприятие, а Гилберт даже возглавил научно-консультативный совет.

Вскоре из этих начинаний возникла отдельная отрасль. Биотехнологическая промышленность не только ввела в производство собственную новую продукцию, но и изменила всю фармацевтическую промышленность. В 1976 году большинству крупных фармацевтических компаний не хватало смелости и гибкости, чтобы самим организовать исследования, связанные с рекомбинантной ДНК, но, вкладывая в одни биотехнологические предприятия и покупая другие, они быстро вошли в курс дела.

Биотехнологические компании изменили и научное сообщество, особенно его отношение к коммерциализации науки. Американские ученые относились к участию в производстве отрицательно, в отличие от ученых из большинства европейских стран. Великий французский биолог Луи Пастер, заложивший в конце XIX века основы наших представлений о возбудителях инфекционных заболеваний, имел немало связей с производством. Он открыл биологические основы брожения, с помощью которого производят вино и пиво. Изобретенные им методы определения и уничтожения бактерий, заражающих гусениц тутового шелкопряда, вино и молоко, позволили спасти винную и молочную промышленность и внедрить пастеризацию молока, предотвращающую его заражение и порчу. Пастеру удалось впервые получить вакцину от бешенства, и Институт Пастера в Париже, учрежденный и названный в его честь еще при жизни ученого, получает немалую долю доходов от производства этой вакцины. Генри Дейл, английский ученый, сыгравший важную роль в открытии химических основ синаптической передачи, свободно перешел со своей должности в Кембриджском университете на работу в Физиологические исследовательские лаборатории Уэллкома, фармацевтическую компанию, а затем снова стал работать в научном учреждении — лондонском Национальном институте медицинских исследований.

В Америке дела обстояли иначе. Но Гилберт быстро понял, какие три условия могут заставить его и других биологов из университетской среды изменить отношение к совмещению научной работы и бизнеса. Во-первых, доказательства того, что компания сможет сделать что-то полезное. Во-вторых, гарантии того, что участие в работе компании не будет слишком сильно отвлекать их от фундаментальных научных исследований. И в-третьих, уверенность в том, что ничто не будет угрожать их научной независимости, которой так дорожат университетские профессора.

К 1980 году, когда компания Genentech наладила выпуск человеческого инсулина, первое условие (доказательство полезности) было выполнено. Все больше биологов налаживало связи с биотехнологической промышленностью. Совершив грехопадение, они с удивлением обнаружили, что им это нравится. Им нравилось, что наука позволяла получить ценные лекарственные препараты и что сами ученые могут преуспеть в финансовом отношении, принося пользу обществу — зарабатывая деньги на создании жизненно необходимых препаратов. До этого большинство университетских ученых старалось не связываться с промышленностью и презрительно относилось к коллегам, консультировавшим фармацевтические компании, но после 1980 года ситуация в корне изменилась. Более того, ученые поняли, что, приняв соответствующие меры, они могут ограничивать затрачиваемое время и сохранять независимость. Более того, большинство осознало, что они не только делятся своими знаниями, но и находят в процессе работы в промышленности новые пути научных исследований.

В результате университеты начали поощрять предпринимательскую деятельность своих сотрудников. Одним из первых такую политику стал проводить Колумбийский университет. В 1982 году Ричард Аксель и несколько его коллег разработали метод, позволяющий экспрессировать любой ген, в том числе человеческий, в клетке, выращиваемой в культуре. Поскольку Аксель был университетским сотрудником, Колумбийский университет запатентовал этот метод. Его сразу взяли на вооружение несколько ведущих фармацевтических компаний, которые начали производить с его помощью новые препараты, важные для медицины. За следующие двадцать лет (время действия патента) на одном этом патенте Колумбийский университет заработал пятьсот миллионов долларов. Эти средства позволили университету взять на работу новых сотрудников и вложить дополнительные деньги в научные исследования. Аксель и другие изобретатели тоже получили свою долю доходов.

Примерно в то же время в Англии Сезар Мильштейн из лаборатории Медицинского исследовательского совета в Кембридже изобрел способ получения моноклональных антител — высокоспециализированных молекул, связывающихся с определенными участками молекул белков. Этот способ тоже сразу оказался востребованным фармацевтической промышленностью и стал использоваться для получения новых препаратов. Но Медицинский исследовательский совет и Кембриджский университет продолжали мыслить по-старому. Они не запатентовали этот метод и лишились возможности получить по праву причитающиеся доходы, которые можно было бы использовать для финансирования важных исследований. Эти события не ускользнули от внимания других университетов, и в тех из них, где еще не было отделений, занимающихся интеллектуальной собственностью, стали организовывать такие отделения.

Вскоре большинство уважающих себя специалистов по молекулярной биологии вошло в состав консультативного совета какой-нибудь из новых биотехнологических компаний. На том раннем этапе компании занимались преимущественно гормональными и противовирусными препаратами, но к середине восьмидесятых предприниматели начали задумываться и о том, нельзя ли использовать для производства новых средств борьбы с неврологическими и психическими заболеваниями последние достижения нейробиологии. В 1985 году Ричард Аксель попросил меня выступить с докладом о болезни Альцгеймера на проходившем в Нью-Йорке заседании совета директоров израильской компании Biotechnology General, которую Аксель консультировал. В своем докладе я вкратце рассказал об этой болезни, подчеркнув, что в последнее время она приобретает характер эпидемии в связи с резким увеличением числа людей, которым перевалило за шестьдесят пять. Средство от этой болезни стало бы огромным достижением для здравоохранения.

Факты, которые я излагал, были вполне очевидны для нейробиологов, но не для рисковых инвесторов. После того заседания Фред Адлер, председатель совета директоров Biotechnology General, пригласил нас с Ричардом пообедать с ним на следующий день. За обедом он предложил основать новую биотехнологическую компанию, которая будет заниматься исключительно нервной системой и использовать достижения молекулярной биологии для борьбы с заболеваниями этой системы.

Поначалу я не хотел ввязываться в биотехнологию, потому что думал, что это занятие будет для меня неинтересным. Я разделял мнение, которого ранее придерживалась значительная часть научного сообщества, что биотехнологические и фармацевтические компании занимаются скучной наукой и что ввязываться в коммерческое предприятие — дело неблагодарное в интеллектуальном плане. Однако Ричард убеждал меня этим заняться и доказывал, что такая работа вполне может быть увлекательной. В 1987 году мы основали компанию Neurogenetics, впоследствии получившую название Synaptic Pharmaceuticals. Ричард и Адлер попросили меня возглавить научно-консультативный совет.

Я пригласил Уолтера Гилберта войти в состав этого совета. Мы познакомились с Уолли в 1984 году. Он замечательный человек и один из самых интеллектуально одаренных и разносторонних биологов второй половины XX века. Пойдя по стопам Жакоба и Моно, авторов теории регуляции генов, он впервые выделил вещество-регулятор и показал, что это, как и ожидалось, был белок, связывающийся с молекулами ДНК. После столь замечательного достижения Уолли продолжил молекулярно-биологические исследования и разработал метод считывания последовательности нуклеотидов в ДНК, за который в 1980 году получил Нобелевскую премию по химии. Кроме того, будучи одним из основателей компании Biogen, Уолли теперь разбирался и в бизнесе. Я подумал, что он был бы ценнейшим кадром для нас, принимая во внимание его научные достижения в сочетании с коммерческими навыками.

Уолли ушел из компании Biogen в 1984 году и вернулся в Гарвард, где обратился к нейробиологии, которой особенно заинтересовался в последнее время. Поскольку он был новичком в этой области, я подумал, что ему может понравиться идея присоединиться к нам и побольше узнать о ней. Он согласился и стал для нас очень ценным приобретением. У нас с Дениз возникла традиция, которой мы продолжаем следовать по сей день, ужинать с Уолли, обычно в каком-нибудь прекрасном ресторане, вечером перед заседанием нашего научно-консультативного совета.

Среди других ученых, приглашенных мной и Ричардом в консультативный совет новой компании, были Том Джееселл (наш коллега по Колумбийскому университету и талантливый специалист по нейробиологии развития). Пол Грингард (новатор в области исследования работы вторичных посредников в нервной системе, перешедший из Йеля в Рокфеллеровский университет), Льюис Роуланд (председатель отделения неврологии Колумбийского университета) и Пол Маркс (бывший декан Колледжа терапевтов и хирургов Колумбийского университета, а впоследствии — президент Мемориального онкологического центра Слоана — Кеттеринга). Это была необычайно сильная команда. Несколько месяцев мы посвятили изучению вопроса, какое направление стоит выбрать нашей компании.

Вначале мы обсуждали возможность специализироваться на боковом амиотрофическом склерозе (болезни, от которой умер Олден Спенсер), а затем на рассеянном склерозе, опухолях головного мозга или инсультах, но в итоге решили, что лучше всего будет, наверное, заняться чем-то имеющим отношение к рецепторам нейромедиатора серотонина. Многие важные препараты (например, почти все антидепрессанты) действуют на эти рецепторы, а Ричард недавно как раз впервые выделил и клонировал такой рецептор. Выяснение молекулярно-биологических основ работы этих рецепторов могло бы открыть новые возможности для исследования целого ряда заболеваний. Кроме того, клонированный Ричардом рецептор был лишь одним из большой группы метаботропных рецепторов, чувствительных к другим нейромедиаторам, действующим через вторичные посредники.

Обратиться к этой теме нас всячески убеждала Кэтлин Маллиникс, проректор Колумбийского университета, которую мы пригласили на должность главного исполнительного директора нашей компании. Хотя она и не разбиралась в нейробиологии, зато имела представление о том, что рецепторы можно использовать для поиска новых медикаментов. Наш совет проработал эту идею. Мы решили клонировать рецепторы серотонина и дофамина, выяснить, как они работают, а затем получить химические соединения, которые позволят управлять их работой. Пол Грингард и я составили документ, в котором все это было изложено, и мы приступили к изучению первого образца — успешно клонированного Ричардом Акселем рецептора серотонина.

Работа нашей компании началась, и началась успешно. Мы наняли прекрасных научных сотрудников, которым удалось клонировать ряд новых рецепторов, и наладили плодотворное сотрудничество с компаниями Eli Lilly и Merck. В 1992 году наша фирма была преобразована в открытую компанию, и ее незаурядный научно-консультативный совет был расформирован. Некоторое время я оставался ее научным консультантом, но через три года основал другую компанию, специализировавшуюся на моей собственной области исследований.

Идея организовать это новое предприятие возникла однажды вечером в 1995 году, когда мы с Дениз в очередной раз ужинали с Уолтером Гилбертом. Мы с Уолли обсуждали полученные мной незадолго до этого результаты, которые заставляли предположить, что потеря памяти у старых мышей обратима, и Дениз предложила нам организовать компанию, которая разработала бы «маленькую красную таблетку» для лечения возрастной потери памяти. Мы с Уолли согласились и объединили усилия с Джонатаном Флемингом, инвестором из объединения Oxford Partners, которое участвовало а финансировании компании Synaptic Pharmaceuticals. Джонатан помог нам привлечь в этот проект Акселя Унтербека из компании Bayer. В 1996 году мы вчетвером организовали новую компанию — Memory Pharmaceuticals.

Создавать компанию, деятельность которой была столь непосредственно связана с моей научной работой, посвященной памяти, было увлекательно, но руководство компанией, даже возникшей на базе собственных исследований, требует слишком больших затрат времени. Некоторые ученые для этого оставляют работу в университете. Но я не собирался уходить из Колумбийского университета и из Медицинского института Говарда Хьюза. Мне хотелось принять участие в создании компании, после чего работать на нее консультантом по совместительству. И в Колумбийском университете, и в Институте Говарда Хьюза были опытные юристы, которые помогли мне подготовить соответствующие договоры — вначале с Synaptic Pharmaceuticals, а затем с Memory Pharmaceuticals, — которые соответствовали как требованиям университета и института, так и моим собственным интересам.

Участие в работе этих двух биотехнологических компаний расширило мой кругозор. Работа в Memory Pharmaceuticals позволила мне на основе результатов моих собственных фундаментальных исследований принять участие в создании лекарственных средств, которые могли помочь людям. Кроме того, в ходе этой работы я познакомился с тем, как функционирует коммерческое предприятие. Младшие сотрудники научно-образовательного учреждения обычно независимы: предполагается, что на ранних этапах карьеры они будут не помогать старшим сотрудникам, а развивать собственные исследовательские проекты. Но в коммерческих организациях все должны совместно работать на благо компании, используя имеющиеся интеллектуальные и финансовые ресурсы, чтобы продвигать каждый возможный продукт в потенциально успешных направлениях. Хотя такое коллективное участие в производстве редко встречается в университетах, из этого правила есть важные исключения, например проект «Геном человека», который потребовал похожего объединения индивидуальных усилий множества людей в интересах общего дела.

В основу деятельности новой компании легла идея, что исследование памяти должно вылиться в прикладную науку и что однажды совершенствование наших представлений о механизмах работы памяти должно привести к изобретению средств, которые позволят лечить нарушения когнитивных функций. Как я отмечал в своем докладе на заседании совета директоров Biotechnology General, сегодня проблема нарушений памяти стала очевиднее, чем была пятьдесят лет назад, когда я начал работать врачом, и произошло это потому, что люди стали дольше жить. Даже в нормальной, здоровой человеческой популяции среди людей старше семидесяти лет лишь примерно у 40 % память не хуже, чем была лет тридцать пять назад. У остальных 60 % память в той или иной степени слабеет. На ранних этапах этот процесс не влияет на другие когнитивные функции, например на речь или способность решать различные задачи. У половины из этих 60 % наблюдается легкое нарушение памяти, иногда называемое доброкачественной старческой забывчивостью, которое развивается со временем и с возрастом довольно медленно, если вообще развивается. Однако у оставшейся половины (то есть у 30 % людей старше семидесяти лет) начинается болезнь Альцгеймера — прогрессирующее дегенеративное заболевание нервной системы.

На ранних этапах своего развития болезнь Альцгеймера характеризуется слабым нарушением когнитивных функций, неотличимым от симптомов доброкачественной старческой забывчивости. Но на более поздних этапах развития этой болезни наблюдаются сильные и прогрессирующие нарушения памяти и других когнитивных функций. Подавляющее большинство симптомов этой поздней, дегенеративной стадии болезни, по-видимому, связано с утратой синаптических связей и гибелью нервных клеток. Это разрушение нервной ткани во многом вызывается накоплением аномального вещества, так называемого амилоида, в форме нерастворимых бляшек в промежутках между клетками мозга.

Доброкачественная старческая забывчивость впервые привлекла мое внимание в 1993 году. Этот термин смягчен и не совсем точен, потому что данное расстройство может начинаться и не в старости, а также потому, что оно не вполне доброкачественно. Первые его проявления наблюдаются у некоторых людей уже на пятом десятке и обычно слегка усиливаются со временем. Я надеялся, что непрекращающееся накопление знаний о механизмах формирования памяти у аплизии может позволить нам разобраться в нарушениях, лежащих в основе этого печального проявления старости, а затем и разработать лечение.

Читая литературу, посвященную доброкачественной старческой забывчивости, я убедился, что по своим симптомам, если не по тяжести, это расстройство напоминает одно нарушение памяти, связанное с повреждениями гиппокампа, а именно неспособность к формированию долговременной памяти. Люди, страдающие доброкачественной старческой забывчивостью, подобно пациенту Г. М., могут нормально поддерживать разговор и сохранять мысли в кратковременной памяти, но с трудом переводят кратковременную память в долговременную. Например, пожилой человек, которого знакомят на званом ужине с каким-то новым гостем, может запомнить его имя на непродолжительное время, но забудет его на следующее утро. Это сходство дало мне основания предположить, что в возрастной потере памяти тоже может быть задействован гиппокамп. Последующие опыты с людьми и животными показали, что это действительно так. Еще одним основанием для такого вывода стало открытие того, что с возрастом в гиппокампе исчезают синапсы, выделяющие дофамин. Ранее мы уже выяснили, что дофамин играет важную роль в поддержании долговременного усиления синаптических связей и в регуляции внимания, задействованной в формировании пространственной памяти.

Чтобы лучше разобраться в этой форме потери памяти, я и мои коллеги воспользовались природной моделью этого явления, наблюдаемой у мышей. Лабораторные мыши доживают до двухлетнего возраста. Таким образом, в возрасте от трех до шести месяцев мыши могут считаться молодыми, начиная с двенадцати месяцев — среднего возраста, а с восемнадцати — пожилыми. Мы использовали для своих экспериментов плоский лабиринт, похожий на тот, который служил нам ранее для изучения роли генов в работе пространственной памяти. Мышей помещали в центр большой круглой площадки с сорока отверстиями по краю, после чего они учились находить то единственное, которое вело в убежище, ориентируясь по положению этого отверстия в пространстве относительно узоров на стенах. Мы установили, что большинство молодых мышей быстро проходит этапы случайной и последовательной стратегий поиска отверстия и скоро обучается использовать более эффективную пространственную стратегию. Однако у многих пожилых мышей были трудности с обучением пространственной стратегии (рис. 24–1).