Устройство памяти

Критерии соответствия

Новые модели

Все точные критерии и четкие теории в мире ничего не значат без хороших экспериментальных модельных систем. В восьмидесятые годы по мере исчезновения прежних сомнений в правильном выборе изучаемых объектов и проводимых тестов ученые начали приходить к единому мнению, что лучше использовать небольшое число моделей, причем каждая группа исследователей отстаивала свою новую версию «идеального» организма. Правда, виды очень многообразны, и они обучаются самым разным вещам, совсем не похожим на те экспериментальные тесты, которыми пользовались первые поколения зоопсихологов. Эти психологи, однако, создали некоторый задел для своих последователей, видевших свое прямое призвание в разработке биохимии, нейрофизиологии и клеточной биологии научения и памяти. Те, кто работал с позвоночными, проявляли тенденцию уйти от прежних лабиринтов и скиннеровских клеток, чтобы заняться выработкой очень простых классических условных рефлексов (например, изменения частоты сердечных сокращений или моргания) у кроликов, у которых можно достаточно точно картировать нервные цепи.

Я уже попутно упоминал ряд других, более экзотических моделей. Например, в Иерусалиме Ядин Дудаи использовал поведенческие и биохимические мутации у плодовой мушки. Для него и некоторых других нейробиологов дрозофила стала таким же обычным объектом изучения, каким была в нашем столетии для генетиков. Доводы этих ученых основывались на том факте, что, как правило, любая специфическая точечная мутация приводит к изменению или отсутствию одного белка в развивающемся организме. Таким белком может быть, например, фермент или компонент мембраны. У мутанта, дефектного по признаку обучаемости или памяти, причиной дефекта может быть отсутствие специфического белка или нарушение его функции. Если установить, какой белок отсутствует, то можно получить ключ к расшифровке его роли в образовании энграмм. В этом смысле изучение мутаций несколько напоминает применение ингибиторов для блокирования определенных обменных процессов и обладает всеми достоинствами и недостатками последнего метода, которые я обсуждал в предыдущей главе и в разделе «Четвертый критерий». Исследования на дрозофилах не решили проблему памяти, но они, несомненно, содействовали пониманию ее биохимических механизмов. Одним из важнейших результатов этих работ явилась демонстрация сходства молекулярных процессов, лежащих в основе формирования следов памяти у плодовой мушки и у других, более крупных и обычных лабораторных животных. Эти результаты подтверждают существование подлинно универсальных биохимических основ нервной пластичности.

Другим очень популярным объектом для изучения памяти стали моллюски; о причинах этого говорилось в главе 7. Особенно важно наличие у них крупных нейронов и легко доступной для исследования нервной системы. Моделями могут служить несколько интересных видов наземных улиток, но наибольшей популярностью (если не у гастрономов, то у нейробиологов) пользуются гигантские морские слизни, такие как Hermissenda.

Однако два самых успешных и наиболее часто цитируемых модельных исследования 80-х годов были проведены на брюхоногом моллюске аплизии (клеточные механизмы кратковременного научения и аналогичных процессов) и на гип-покампе — особом участке в мозгу млекопитающих (феномен так называемой долговременной потенциации). Результатам этих экспериментов и посвящена оставшаяся часть главы.

Привыкание у аплизии — «обучение в блюдце»

Спросите любого специализирующегося в нейронауках выпускника университета, какой организм больше всего использовался в клеточной биологии научения, и вы скорее всего услышите в ответ: аплизия. А на вопрос об исследователе, сыгравшем ключевую роль в этой программе работ, вам почти наверняка назовут имя Эрика Кэндела, профессора Фонда Говарда Хьюза в Нью-Йоркском колледже терапевтов и хирургов, автора одного из самых известных в последнем десятилетии пособий по нейронаукам [3] и плодовитого соавтора других книг, блестящего и неутомимого пропагандиста аплизии как идеального объекта для изучения памяти и редукционизма как методологической и философской концепции ее познания (Кэндел был столь ярым приверженцем редукционизма как философии и одновременно методологии, что однажды выступил перед аудиторией психблогов с лекцией на тему «Психотерапия и отдельный синапс» [4]).

Кэндел, получивший образование как психиатр, в шестидесятые годы какое-то время работал с аплизиями в Париже вместе с Ладиславом Тауком и имел возможность оценить перспективность этого моллюска при изучении вначале таких кратковременных процессов, как привыкание. В последующую четверть века этот организм стал главным объектом его самостоятельных исследований в Нью-Йорке, где в возглавляемой им лаборатории Колумбийского университета выросло несколько поколений специалистов-нейробиологов. Несомненно, Кэндел и его школа внесли важный вклад в нейробиологию кратковременных проявлений памяти как в экспериментальном плане, так и в смысле повышения престижа того раздела физиологии, к которому после его упадка в шестияесятые годы многие относились весьма сдержанно. Далеко не просто складывались личные отношения между учеными, работавшими с аплизией, и между всей этой группой и другими группами,, которые использовали иные модели, в частности с Дэном Элконом и его коллегами по работе с Hermissenda в Вудс-Хоуле (см. главу 7). Одно время трения стали столь заметными, что побудили автора научно-популярных работ Сюзан Олпорт посвятить им отдельную книгу [5]. Тем не менее общее направление исследований Кэндела и теоретические предпосылки, разработанные им в 70-х и 80-х годах, до недавнего времени не встречали особых возражений. Однако результаты, полученные в последние несколько лет в его собственной и в других лабораториях, побуждают расширить прежний несколько упрощенный редукционистский подход к интерпретации получаемых данных. Чтобы дать представление о существе этой критики, мне придется сначала рассмотреть редукционистскую концепцию Кэндела в ее наиболее выраженной форме.

В главе 7 уже говорилось, почему исследования на аплизии приобрели стратегическое значение для нейробиологии некоторых важных форм памяти. У этого животного очень несложный поведенческий репертуар, включающий различные виды научения, а их центральную нервную систему сравнительно нетрудно картировать, так как она состоит не более чем из 20 000 нейронов, сгруппированных в ряд обособленных ганглиев, и среди этих нейронов есть очень крупные клетки, легко распознаваемые индивидуально у всех особей. Ключевым моментом в подходе Кэндела было изучение простейших поведенческих реакций у интактного животного. Речь идет об элементарном рефлексе — втягивании жабры и сифона — с явлениями привыкания и сенситизации. Эту форму поведения или ее нервный механизм можно «отделить» от других поведенческих реакций путем последовательного уменьшения группы изучаемых в эксперименте нейронов. Предельным случаем будет наблюдение над двумя определенными нейронами, которые можно отпрепарировать, а затем вызвать образование синаптической связи в лабораторной чашке. По мнению Кэндела, взаимодействие таких нейронов и их реакции на добавляемые извне нейромедиаторы можно считать моделью памяти для рефлекса в ее крайне редуцированной форме. Каковы же доводы в пользу этого?

Рассмотрим сначала сам рефлекс. Аплизия дышит с помощью жабры, которая размещается в полости на верхней (дорсальной) стороне тела. В задней части этой полости имеется вырост в виде трубки — сифон. Если прикоснуться к области вокруг жабры или сифона, они втягиваются в полость: это простой защитный рефлекс. Нервный механизм такого рефлекса включает небольшое число (около 50) сенсорных нейронов, реагирующих на тактильное раздражение упомянутой области. Эти сенсорные нейроны контактируют примерно с 20 моторными нейронами как непосредственно, так и через промежуточные нейроны (интернейроны). Моторные нейроны расположены в абдоминальном (брюшном) ганглии и в свою очередь образуют синапсы на мышечных волокнах, втягивающих сифон и жабру. Эта относительно простая цепь схематически показана на рис. 9.2. Однократное раздражение поверхности тела около жабры или сифона приводит к их втягиванию, а при многократной стимуляции наступает привыкание; реакция на повторные стимулы постепенно ослабевает вплоть до ее полного исчезновения на некоторое время. Привыкание можно снять (дегабитуация, или сенситизация) сильным раздражением другого участка тела, например «хвоста», что приводит к полному восстановлению первоначальной реакции. Такие изменения рефлекса носят кратковременный и довольно неспецифический характер, и их следует рассматривать как формы неассоциативного научения. Наряду с этим, как показал Кэндел, возможна и выработка классического условного рефлекса, когда безусловным стимулом служит резкое воздействие на хвостовую область, а условным — слабое тактильное раздражение сифона. Слабая стимуляция обычно приводит и к слабо выраженному втягиванию сифона, тогда как после закрепления условного рефлекса такое же слабое раздражение вызывает сильную реакцию. Этот эффект сохраняется довольно долго, и поскольку здесь существует специфическая связь между стимулом и реакцией, его можно считать формой истинного ассоциативного научения.

Рис. 9.2а. Рефлекс втягивания жабры и сифона у аплизии. Показано интактное животное. На сифон через трубку направлена струя воды (слева), это приводит к втягиванию сифона и фабры (в середине и справа).

Рис. 9.2b. Схема нервных связей в «редуцированном» препарате.

Кэндел и его сотрудники занялись поисками нервных путей, участвующих в реакции втягивания жабры и сифона. Они использовали простые классические методы нейрофизиологии, а дальнейшая стратегия состояла в последовательном уменьшении числа нейронов. Для более точного контроля и количественной оценки реакции моллюсков обездвиживали, прикрепляя к пластинке, а для стандартизации тактильных стимулов применяли струю воды, направляемую через остроконечную трубку. Сокращения жабры можно было также прямо регистрировать с помощью фотоэлемента. Выявив нервную сеть, которая обеспечивала рефлекторную реакцию, исследователи смогли перейти ко второму вопросу: какая часть этой сети ответственна за привыкание? Не происходят ли при этом изменения в каких-то определенных клетках или синапсах? Этот вопрос, очевидно, имеет отношение к описанному выше первому критерию. Но, поскольку группа Кэндела состояла из нейрофизиологов, а не биохимиков, исследователи начали с изучения электрических свойств клеток, что соответствует моему шестому критерию.

Однако для получения ответа требовалось еще одно упрощение изучаемой системы, в результате которого живые аплизии превращались в неактивные, удобные для манипуляций «препараты». Животное можно вскрыть, обнажив абдоминальный ганглий, или даже полностью изолировать этот ганглий вместе с нервами, участком кожи и жаброй. Проведя такую операцию, Кэндел мог считать, что исключил все посторонние источники сигналов — другие периферические нервы, нейро-модуляторы, циркулирующие в крови и т. п. При этом он получил возможность выявлять крупные клеточные тела моторных нейронов и, как говорилось в главе 7, повторно идентифицировать «те же самые» клетки при смене одного животного другим (рис. 9.2). В результате операции живой моллюск становился чем-то вроде компьютерной схемы, и ученые могли исследовать ее свойства как электротехники, получившие новое оборудование и пытающиеся понять принципы его работы. В такой системе осязательный стимул для поведенческих реакций можно заменить его нейрофизиологическим аналогом, т. е. прямым электрическим раздражением нервов, идущих к сенсорным нейронам. Точно так же и мышечную реакцию — втягивание жабры и сифона — можно вызывать прямой стимуляцией нервов, отходящих от моторных нейронов к жаберной мускулатуре.

На следующем этапе работы изолированные и «упрощенные» препараты использовались для того, чтобы выяснить локализацию механизмов привыкания, т. е. найти те звенья нервной цепи, которые начинают слабее отвечать на повторное раздражение. К середине семидесятых годов стало ясно, что ни подходящие к сенсорным нейронам, ни отходящие от двигательных нейронов нервы не обладают свойствами, позволяющими объяснить привыкание, так как их электрические ответы не уменьшаются. Следовательно, клетки, ответственные за привыкание, должны занимать промежуточное положение в сенсорно-моторной цепи абдоминального ганглия. И действительно, регистрация электрических сигналов от моторных нейронов в этом ганглии в период привыкания выявила постепенное уменьшение их частоты. Из этого был сделан вывод, что «место» привыкания лежит между сенсорными и моторными нейронами [6].

Однако даже в таком крайне упрощенном препарате имеется множество нервных цепей и многие тысячи клеток. Сенсорные нейроны, например, имеют прямые и опосредованные связи с моторными нейронами. Прямые связи обеспечиваются синапсами между аксоном сенсорного нейрона и дендритом или телом моторного нейрона (моносинаптический путь); в непрямом, полисинаптическом пути сначала сенсорный нейрон устанавливает синаптическую связь с интернейроном, а тот в свою очередь образует синапс с моторным нейроном. (Здесь следует ввести еще два соотносящиеся друг с другом термина. Когда одна клетка воздействует на другую непосредственно путем модификации синапса, образуемого ею на второй клетке, говорят о гомосинаптическом эффекте; если же действие одной клетки на другую модулируется третьей клеткой, имеющей синапсы с двумя первыми, такой эффект называют гетеросинаптическим.)

Анализ активности моторных нейронов аплизии после сенсорной стимуляции показывает, что они реагируют как непосредственно, т. е. моносинаптически, так и полисинаптически, через посредство интернейронов. На просьбу указать наиболее вероятное место синаптической пластичности теоретики скорее всего выберут интернейроны, поскольку они, очевидно, могут получать и модулировать сигналы, поступающие по множеству различных входов, прежде чем направить их по различным выходным путям. Простая модель научения, предложенная Хеббом и представленная на рис. 6.1, требует участия трех нейронов. Иными словами, если она верна, то предполагает гетеросинаптическое взаимодействие. Однако, к удивлению многих, в начале восьмидесятых годов группа Кэндела показала, что элемент, ответственный за привыкание, чрезвычайно прост: это прямая синаптическая связь между сенсорным и моторным нейронами; в частном случае — синапс между сенсорным нейроном и одним определенным очень крупным моторным нейроном, причем связь здесь моносинаптическая с модуляцией гомосинаптического типа.

Постепенное упрощение препарата до изолированной нервной цепи подготовило почву для его предельной редукции: сотрудник Кэндела Самюэл Шахер выделил два специфических нейрона — сенсорный и двигательный — и поместил их вместе в чашку Петри, т. е. перенес в условия тканевой культуры. Уже давно известно, что в этих условиях нейроны, подобно другим клеткам, много дней и даже недель остаются живыми, если поддерживать нужную температуру, аэрировать среду и снабжать клетки глюкозой и другими необходимыми веществами. При этом многие виды культивируемых клеток продолжают делиться, а нейроны хотя и не делятся, но растут и образуют аксоны, дендриты и даже синаптические соединения. В культурах Шахера сенсорные нейроны формировали синапсы на моторных нейронах, и их электростимуляция вызывала электрическую реакцию последних. При многократном раздражении сенсорной клетки ответ моторного нейрона постепенно затухал, т. е. развивалось привыкание [7]. В конце концов в лаборатории Кэндела было получено то, что он описал как изолированный синапс, «обучающийся в блюдце». Фактически это был полный триумф редукционистской стратегии, которой следовала группа Кэндела. Это, казалось, оправдывало его претензию на постановку такой цели, как расшифровка «клеточного алфавита» научения. Сенсорно-моторный синапс, безусловно, может считаться одной из букв такого алфавита.

Все, о чем шла речь до сих пор, относится в основном к области нейрофизиологии. А что можно сказать о биохимических механизмах реакций на изученных Кэнделом уровнях клеточной организации? Если привыкание происходит вследствие ослабления постсинаптической реакции в отдельном синапсе, то по логике вещей оно должно быть результатом либо пресинаптического, либо постсинаптического процесса или, разумеется, их сочетания. Например, может постепенно уменьшаться количество нейромедиатора, выделяемое пресинаптической клеткой, или происходить изменение рецепторов на постсинаптической стороне, так что они будут слабее реагировать на прежние дозы медиатора; возможно и одновременное участие обоих механизмов. Вопрос об относительной роли пре- и постсинаптической пластичности в последние годы стал одним из важных предметов спора, но большинство теоретиков склонно было приписывать пластичность в основном постсинаптической стороне.

Первой задачей нейрохимического исследования для группы, работавшей с аплизией, стала идентификация медиатора, передающего сигналы в синапсе. Им оказалось широко распространенное вещество серотонин, или 5-гидрокситриптамин. К середине семидесятых годов сотрудники группы установили, что в период привыкания в изолированном ганглии происходит неуклонное снижение секреции серотонина пресинаптическими окончаниями сенсорных клеток, тогда как чувствительность постсинаптических рецепторов этого вещества не изменяется. Пониженная секреция серотонина сопровождалась также изменением свойств пресинаптической мембраны, в особенности уменьшением трансмембранного переноса кальция внутрь клетки (биохимическое значение этого станет понятным позже). В параллельных экспериментах было показано, что сенситизация (т. е. эффект, в известном смысле противоположный привыканию; см. главы 6 и 7) тоже связана с пресинаптическими процессами, но здесь уже необходимо усиление секреции серотонина и притока кальция в клетки. Тот факт, что оба процесса — и привыкание, и сенситизация — происходят с участием пресинаптических механизмов, оказался довольно неожиданным для тех, кто моделирует нервные функции.

Десятилетие спустя были проведены аналогичные эксперименты на клетках в культуре, и они дали те же результаты. На этот раз для «обучения» не требовалось даже двух клеток, реакция полностью воспроизводилась при воздействии серотонином на изолированный моторный нейрон. Дальнейшее упрощение трудно придумать!

В следующей главе я гораздо подробнее остановлюсь на биохимии этих процессов в контексте моих собственных экспериментов. Сейчас я не буду вдаваться в детали, а хочу лишь подчеркнуть то, что Кэндел объясняет рефлекс, привыкание и сенситизацию, переходя к все более простым системам. Сначала он сводит сложную форму поведения интактного организма — втягивание сифона и жабры — к реакции нервной цепи, в которой в результате взаимодействия всего лишь двух клеток развивается привыкание, а потом интерпретирует электрическую (т. е. физиологическую) реакцию синапсов как каскад биохимических процессов в пресинаптическом нейроне.

Долговременная память аплизии

Если открытые Кэнделом механизмы процессов привыкания и сенситизации могут служить моделью кратковременной памяти, то какое отношение они могут иметь к долговременной памяти? Группе, работавшей с аплизией, нужно было найти у их излюбленного объекта такой процесс, который определенно можно было бы назвать долговременной памятью и попытаться изучить наподобие того, как это было с успехом сделано в случае привыкания и сенситизации. Этим объясняется повышенное внимание, которое в начале 80-х годов уделялось условнорефлекторному втягиванию сифона и жабры. Животное обучали реагировать на слабый стимул, обычно не вызывающий этой реакции, таким же образом, как на сильный, который ее уже вызывает (например, на резкое раздражение хвостовой области). Экспериментальный подход был усовершенствован в 1983 году сотрудником КэнделД Томом Кэрью [8], которому удалось смоделировать аналогичную ситуацию на «упрощенном» препарате. Безусловный раздражитель был заменен повторной активацией сенсорного нейрона, а условный — воздействием на клетку серотонина.

Ключевым признаком ассоциативного научения (в отличие от привыкания и сенситизации) служит его долговременный характер, тогда как все рассмотренные до сих пор эффекты были кратковременными. Согласно моему второму критерию, при ассоциативном научении у аплизии должны возникать более стойкие клеточные изменения, соответствующие длительной модификации поведения. Хотя еще в начале 70-х годов было показано, что ингибиторы белкового синтеза не влияют на привыкание и сенситизацию, Кэндел только в середине 80-х годов переключил свое внимание на более долговременные клеточные процессы. Хотя введение этих ингибиторов не сказывается на привыкании, они вызывают амнезию в опытах с ассоциативным научением. Поэтому последнее нельзя осуществить путем кратковременного изменения секреции медиатора; для этого необходим синтез новых белков, и исследователям нужно было идентифицировать их и выяснить их функции в клетке. В связи этим Кэндел предпринял эксперименты вроде тех, которые уже пытались провести исследователи биохимии памяти. Биохимики добавляли в культуру изолированных ганглиев или клеток радиоактивные предшественники белка и старались выявить образующиеся белковые продукты; те из них, синтез которых начинался или усиливался только при формировании следов памяти, отделяли от множества неспецифических белков. Одновременно обсуждался вопрос, каким образом кратковременные изменения в секреции таких нейромедиаторов, как серотонин, или в транспорте кальция через синаптическую мембрану могут запускать специфический синтез новых белков, необходимых для долговременного запоминания [9].

Рис. 9.3. Схема нервного аппарата классического обусловливания у аплазии. (Один кружок может представлять группу нейронов.) Безусловный раздражитель (резкое воздействие на хвостовую область) возбуждает облегчающие интернейроны, имеющие выходные синапсы на окончаниях аксонов двух других путей: от мантии и от сифона. Одновременное слабое воздействие на мантию (условный раздражитель) и сильное — на хвостовую область усиливает передачу сигнала от мантии, вследствие чего даже слабое раздражение последней вызывает теперь втягивание жабры; слабое раздражение сифона остается неусиленным и не вызывает реакции втягивания.

Клеточные алфавиты или нервная система?

Поскольку все эти проблемы долговременной памяти у моллюсков смыкаются с биохимической проблематикой моих собственных исследований на цыплятах, я намерен на время отложить их обсуждение. Сначала нужно будет заняться теми вопросами, которые с редукционистской прямолинейностью игнорировались в ортодоксальных работах на аплизии (во всяком случае подход здесь был ортодоксальным в середине 80-х годов, хотя сейчас, похоже, он становится все более гибким). Хотелось бы, чтобы мои критические замечания были поняты правильно. В последние двадцать лет группа Кэндела внесла большой теоретический и экспериментальный вклад в изучение клеточных механизмов памяти, но интеллектуальная самоуверенность коллектива в целом и авторитет его руководителя стали приводить к замалчиванию некоторых аспектов всей этой работы и оттеснению тех, кто пытался привлечь к ним внимание. Я не собираюсь переходить на личности и вдаваться в вопросы приоритета, тем более что Сьюзан Олпорт уже вынесла кое-что на публичное обсуждение в книге «Исследователи черного ящика». Вместо этого я попытаюсь сосредоточиться на некоторых спорных теоретических вопросах.

Кое-кто из недовольных амбициозностью кэнделовской метафоры «клеточного алфавита» ссылается на якобы разную природу научения у беспозвоночных (аплизии) и у позвоночных. Нервная система аплизии состоит из относительно небольшого числа нейронов, однако среди них есть очень крупные. Этим она сильно отличается от мозга позвоночных, который содержит множество мелких нейронов с чрезвычайно большим количеством связей между ними. Поэтому одно из главных различий в устройстве мозга позвоночных и беспозвоночных иногда видят в том, что у последних на отдельный нейрон или даже синапс ложится гораздо больше работы и ответственности, чем у позвоночных, у которых они распределены между разными клетками. Возможно, так оно и есть, но в последние годы нейрофизиологи-беспозвоночники (те, что изучают беспозвоночных, а не особая группа исследователей, лишенных спинного хребта!), обычно утверждавшие, что излюбленные ими организмы имеют простую нервную систему, несколько изменили формулировку: они говорят теперь о «простых» нервных системах, намеренно употребляя кавычки в знак признания того, что эти системы все же на много порядков сложнее, чем действительно простые компьютерные схемы. У многих беспозвоночных, например у насекомых, нервная система набита крошечными нейронами. Это относится и к таким моллюскам, как осьминоги и кальмары с их крупным мозгом. Аплизия представляет случай особого рода, ибо это животное легко изучать, но, очевидно, можно без большой натяжки утверждать, что фундаментальные механизмы научения не слишком отличаются у нее от свойственных другим беспозвоночным животным и даже позвоночным с сопоставимыми размерами нервной системы. Синаптические взаимодействия даже 20 000 нейронов достаточно многообразны, чтобы они работали как целостная система, а не отдельные клетки, и некогда популярные утверждения, что в нервной системе насекомых и ракообразных можно найти ключевые «командные» нейроны, оказались столь же несостоятельными, как и пропагандировавшиеся с равным энтузиазмом «командные экономические методы» в Восточной Европе. Иными словами, этот подход так же мало пригоден для организации индивидуального поведения, как и для управления страной.

Другое направление критики представляют некоторые психологи, концентрирующие огонь на вопросе о том, насколько экспериментальная процедура ассоциативного обучения аплизии «действительно» отвечает требованиям классического обусловливания [10]. Однако все эти перебранки по поводу терминологии сейчас интересуют меня гораздо меньше других вопросов, которые я здесь рассмотрю, исходя из критериев необходимости, достаточности и специфичности. Несмотря на поразительную аналогию между процессами привыкания и сенситизации у интактных аплизии и реакциями изолированного сенсорно-моторного синапса — аналогию, вполне удовлетворяющую некоторым из моих критериев, здесь имеется явный логический пробел. Хотя изменения на уровне этого синапса в процессе привыкания при рефлекторном втягивании жабры и сифона действительно происходили, до сих пор формально не доказаны их необходимостьи достаточность. Говоря об упрощениях, производившихся группой Кэндела, я уже отмечал, что они устраняли ряд «неудобных» в экспериментальном и теоретическом плане процессов, сопутствующих поведенческой реакции (например, влияние периферической нервной системы и некоторые полисинаптические воздействия на моторные нейроны). Возможны ли привыкание, сенситизация и ассоциативное научение в случае повреждения ключевых сенсорно-моторных синапсов (пятый критерий)? И только ли эти специфические синапсы изменяются при процессах кратковременного и долговременного научения?

Один из самых упорных критиков Кэндела, нейрофизиолог Кэн Луковяк из Калгари, указывает, что причинная связь между нервной и поведенческой реакциями, постулированная Кэнделом, никогда не подвергалась прямой проверке на интакгных животных. Так, например, если сила реакции целиком зависит от отдельного синапса, у интактного животного должна выявляться высокая положительная корреляция между степенью активации специфического моторного нейрона и выраженностью рефлекса втягивания. Попытка обнаружить такую корреляцию Луковяку не удалась. Создавалось впечатление, что силу рефлекса контролирует не какая-то отдельная клетка абдоминального ганглия, а весь комплекс взаимодействующих клеток как система [11].

Подтверждение этого вывода пришло не от оппонентов, а от самих членов группы Кэндела. В частности, морфологи Мэри Чен и Крейг Бэйли потратили несколько лет на изучение и измерение синапсов абдоминального ганглия аплизии. Они обнаружили, что при ассоциативном научении происходят характерные изменения формы и числа этих синапсов (весьма сходные с наблюдавшимися нами у цыплят, я более подробно опишу их в следующей главе). Некоторые из этих изменений носят кратковременный характер, а другие (особенно увеличение числа синапсов), по-видимому, более стойки. Если это действительно так, если создание устойчивой простой ассоциации связано с образованием множества новых синапсов, то нельзя утверждать, что память «представлена» единственным набором синапсов на определенном моторном нейроне; в этот процесс должны быть вовлечены тысячи синапсов, распределенных между многими клетками [12]. Окончательную точку в этом споре поставил Том Кэрью, который сейчас работает в Йельском университете. Он изучал ход развития аплизии от крошечной свободноплавающей личинки через ряд промежуточных стадий до взрослой особи и, в частности, картировал формирование нервной системы и поведения у этого животного. По его наблюдениям, привыкание появляется на относительно ранней стадии, а сенситизация — намного позже. В нервной системе совсем юных аплизии сравнительно мало нейронов, тогда как начальный период проявления сенситизации совпадает со временем резкого увеличения их числа. Но если для сенситизации требуется лишь описанная ранее простая реакция комплекса из трех нейронов, то трудно понять, почему — в отличие от привыкания — она должна зависеть от такого роста популяции нервных клеток [13].

Я уделил здесь время рассказу об аплизии не только ввиду важности достижений Эрика Кэндела в плане накопления экспериментального материала и разработки теоретических моделей, но прежде всего в связи с тем местом, которое они заняли в учебниках и руководствах, сделав нейрофизиологию памяти полноправной наукой и сформировав целое направление исследований. Несмотря на ряд важных различий в результатах, полученных на Apfysia и на Hermissenda, и в их интерпретации соответствующими научными школами [14], обе группы внесли вклад в это направление, руководствуясь общей теоретической задачей, которая ведет к четкой, но, мне кажется, в конечном счете ошибочной редукционистской философии и стратегии поиска механизмов памяти. Конечно, ни один творчески мыслящий ученый не станет упрямо придерживаться устоявшихся взглядов перед лицом новых фактов, но только сам Кэндел может сказать, как далеко он отошел от своих ранних крайне редукционистских убеждений. Теперь пора перейти к рассказу о той экспериментальной системе, которая в последнее десятилетие стала (и до сих пор остается), вероятно, единственной по-настоящему популярной в нашей науке моделью научения.

Долговременная потенциация

В шестидесятых годах в нейрофизиологической литературе стали появляться отдельные сообщения о том, что многократная, производимая с достаточной частотой стимуляция нервных путей к некоторым областям коры головного мозга приводит к длительному усилению спонтанной электрической активности таких областей. Это явление — в сущности, повышение эффективности передачи между пре- и постсинаптическими клетками — получило название потенциации. Не может ли такая потенциация быть одной из форм нейрофизиологической памяти? В 1973 году в очень часто цитируемой теперь статье Тим Блисс из Национального института медицинских исследований в Лондоне и Терье Лёмо описали совместную работу, проведенную ими в лаборатории Пера Андерсена в Осло. Они обнажали у наркотизированных кроликов гиппокамп и идущие к нему нервные пути и подводили к одному из этих путей — «перфорантному» (perforant) — стимулирующие электроды, а регистрирующие электроды вводили в ту область гиппокампа, где перфорантный путь образует синапсы (в зубчатую извилину, рис. 9.4). Когда они после этого стимулировали перфорантный путь залпом электрических импульсов частотой 10-100 в секунду и длительностью до 10 секунд, наблюдалось необычайно продолжительное (до 10 часов) усиление активности нейронов зубчатой извилины гиппокампа [15]. Авторы назвали этот феномен долговременной потенциацией (сокращенно ДВП). На самом деле ДВП длится гораздо дольше десяти часов; этот эффект наблюдали и у наркотизированных животных с вживленными электродами, причем в этом случае потенциация сохранялась иногда на протяжении 16 недель после первоначальной кратковременной стимуляции. По-видимому, краткая электрическая стимуляция гиппокампа приводила к изменению электрических свойств его клеток.

Блисс, Лемо, Андерсен и многие другие нейробиологи сразу же заинтересовались этим явлением. Это был сильно выраженный эффект — специфический, воспроизводимый и, сверх того, поддававшийся физиологическому, а позднее также биохимическому, фармакологическому и морфологическому исследованию. Гиппокамп млекопитающих был уже хорошо известной структурой, его нервные связи, входные и выходные нервные пути подробно картированы и легко распознаваемы на различных препаратах, хотя индивидуальные нейроны не поддавались такой прямой идентификации, как у аплизии.

Продолжительное изменение выходной клеточной реакции на определенное входное воздействие служит по меньшей мере ярким примером нервной пластичности; больше того, весьма специфичная форма, которую приобретает реакция, может рассматриваться как проявление памяти. Было уже достаточно хорошо известно, что и у человека, и у других млекопитающих гиппокамп имеет какое-то отношение к памяти. Не может ли долговременная потенциация (ДВП) служить механизмом образования энграмм? Не могут ли физиологи использовать ее хотя бы как модель для изучения памяти? Блисс и Лемо явно склонялись к этому, считая свою процедуру стимуляции аналогом «условного раздражения»; однако они заключили свою статью загадочной оговоркой: «Другое дело — использует ли интактное животное в реальной жизни то свойство, которое было выявлено путем синхронной повторной стимуляции группы нервных волокон, нормальная активность которых неизвестна» [15].

ДВП легко вызывать и изучать классическими методами нейрофизиологии, поэтому вряд ли стоит удивляться ее популярности в качестве потенциальной модели памяти. В ближайшие годы после первых наблюдений Блисс в Лондоне, Андерсен в Осло и все большее число исследователей в других лабораториях стали в мельчайших подробностях изучать физиологию ДВП. Было показано, что этот феномен выявляется не только у наркотизированных и ненаркотизированных кроликов, крыс и других лабораторных животных, но и в препаратах in vitro.

Гиппокамп легко извлечь из мозга вместе с его входными нервными путями, в том числе и перфорантным путем. Благодаря трехмерной структуре гиппокампа можно получать тонкие срезы с интактными путями к клеткам того же среза, как показано на рис. 9.4. Такие срезы культивировали in vitro и изучали их электрические свойства. Так забытая с пятидесятых годов методика Мак-Илвейна снова вошла в моду у нейробиологов в конце семидесятых годов. Надлежащая стимуляция нервных путей в таких срезах тоже приводила к ДВП, которая сохранялась до отмирания среза.

Рис 9.4. Гиппокамп крысы. На увеличенном изображении представлен срез гиппокампа с зубчатой извилиной (DG) и перфорантным нервным путем (РР) Другие области, где имеет место ДВП, включают СА1 и САЗ

Характеристики ДВП примерно одинаковы и в срезах, и в интактном мозгу. Во-первых, в обоих случаях реакция специфична для определенных путей. Иными словами, она развивается только в тех клетках, к которым подводится «условный раздражитель», а не распространяется от клетки к клетке, т. е. это результат функционирования сети специфических связей, а не волна диффузной активности. Такую специфичность можно изящно продемонстрировать благодаря наличию нескольких различных подводящих путей к отдельным участкам даже в одном срезе гиппокампа. Во-вторых, для индукции ДВП требуется повторное воздействие достаточно частых импульсов: то же число импульсов, поступающих с меньшей частотой, не вызывает эффекта. Таким образом, существует частотный порог индукции ДВП. При частоте импульсов выше пороговой ДВП может развиваться либо постепенно, либо по принципу «все или ничего» в зависимости от ритма, интенсивности и частоты условных стимулов. Развитие ДВП происходит по меньшей мере в две (возможно, в три) фазы, с коротким периодом инициации и более длительной фазой устойчивой реакции, которые рассматриваются как аналоги перехода от кратковременной памяти к долговременной.

Третий и, пожалуй, самый интересный момент с точки зрения клеточной аналогии памяти состоит в следующем. В начале восьмидесятых годов было показано, что существует ассоциативная форма ДВП. При этом слабая стимуляция, недостаточная сама по себе для поддержания ДВП, может стать активирующим фактором, если сочетается с сильной стимуляцией через второй путь [16]. Оба вида стимуляции должны совпадать или ассоциироваться во времени, как условный и безусловный раздражители при ассоциативном научении. Можно даже получить такую форму ассоциативного научения, в которой смешаны поведенческие и нейрофизиологические стимулы. Крыса может научиться переходить границу между двумя отделениями ящика в ответ на сигнал, состоящий только из залпа импульсов на гиппокамп, в качестве безусловного раздражителя [17]. Все эти особенности ДВП, взятые вместе, вызывали повышенный интерес к ее изучению по меньшей мере как одной из интригующих моделей памяти.

Гиппокамп как когнитивная карта

Признание ДВП в гиппокампе единственной моделью памяти в восьмидесятых годах скорее всего было закреплено все возраставшим потоком психологических данных о роли этого отдела мозга в обучении животных. В то время как исследования на людях позволяли предполагать участие гиппокампа в переходе от кратковременной декларативной памяти к долговременной (что подтверждалось наблюдениями над обезьянами с поврежденным гиппокампом), опыты на крысах выявили еще один аспект его роли в механизмах памяти. Одним из наиболее выраженных последствий повреждения гиппокампа у этих животных была утрата способности обучаться задачам на пространственную ориентацию, например в лабиринтах. Хотя ранее этот эффект уже наблюдали при выполнении крысами более традиционных задач с лабиринтом, его особенно убедительно продемонстрировал в своем тесте Ричард Моррис, в то время работавший в Университете Сент-Андру (сейчас — в Эдинбурге). Он использовал круглый чан с высокими стенками диаметром около двух метров, наполненный теплой водой, которую замутняли, добавляя молоко. Чан находился в комнате, на стенах которой были легко узнаваемые ориентиры: на северной стене — часы, на южной — источник света, на восточной — клетка и т. д. В чане, чуть ниже уровня жидкости, имелась полка, невидимая в мутной воде. Помещенная в чан крыса начинала беспорядочно плавать, пока более или менее случайно не натыкалась на полку и не взбиралась на нее. Путь, проделанный плавающей крысой, прослеживали с помощью телекамеры, укрепленной над чаном. После нескольких тренировок крыса стала быстро направляться почти прямо к полке, находя ее по окружающим ориентирам — часам, источнику света и клетке. Такой план эксперимента позволял легко оценивать действие различных веществ, повреждений или иных манипуляций по изменению быстроты, с которой крыса находила скрытую полку. Этот тип лабиринта стал настолько популярным, что изобретатель удостоился высшей научной почести — эпонимии (когда явление, метод или инструмент называют чьим-либо именем), а сам аппарат именуется теперь «водяным лабиринтом Морриса» (рис. 9.5). В последние годы он практически вытеснил ящик Скиннера как непременный атрибут всех психологических лабораторий.

Рис. 9.5. Лабиринт Морриса. В этом тесте крысу помещают в чан с замутненной водой (I), где она учится находить находящуюся под водой площадку (II). После нескольких сеансов обучения крыса плывет сразу по направлению к площадке (III). Однако животные с поврежденным гиппокампом или после нарушения памяти химическими средствами плавает беспорядочно и лишь случайно находит площадку, как будто раньше оно не обучалось этому (IV).

Как же крыса учится находить невидимую полку? Знает ли она, скажем, расстояние, которое проплыла от точки старта, или руководствуется ориентирами, которые видит на стенах комнаты? Такие предположения легко проверить. Изменение начальной точки плавания почти не влияет на способность крысы находить полку. С другой стороны, при изменении относительного положения настенных ориентиров, например при перемещении часов с северной стены на южную, крыса теряет дорогу и плывет к той области чана, где находилась бы полка относительно часов, если бы часы оставались на прежнем месте. Следовательно, животное определяет свое местонахоядение в пространстве, используя в качестве ориентиров окружающие объекты. (Разумеется, о чем-то подобном догадается любой человек без специальной подготовки, но не так рассуждают психологи, воспитанные на заветах Скиннера). В то же время повреждение гиппокампа резко ухудшает способность крыс запоминать или вспоминать пространственные ориентиры, а тем самым и находить кратчайший путь к спасительной полке.

Водяной лабиринт дает ряд преимуществ при анализе пространственного обучения, так как помещенное в чан животное ничем не ограничено в выборе пути; однако эти преимущества могут быть сведены на нет тем, что плавание вызывает определенный стресс, а животное обучается достигать сравнительно случайной цели. До того как Моррис предложил свой лабиринт, при анализе процессов пространственного научения обычно применяли более традиционный вариант той же задачи. Крыс помещали в радиальный лабиринт той или иной конфигурации с четырьмя, шестью или восемью рукавами и обучали находить цель — пищу или воду — в конце одного из рукавов. Животные могли использовать как внутренние ориентиры лабиринта, так и наружные — на стенах комнаты, относительно которых лабиринт можно было поворачивать. С помощью аппаратов такого типа Дэвиду Олтону из Балтимора и Джону О'Кифу и Линн Нейдл (оба экспатрианты из США, в то время работавшие в Университетском колледже в Лондоне, хотя Нейдл впоследствии вернулась в Америку и работает в Тусоне, штат Аризона) удалось установить различие между ориентирами рабочей и справочной памяти крыс, обучавшихся находить цель. Крысы могут использовать ориентиры самого лабиринта, например «второй поворот направо от этой точки». Это форма рабочей памяти, так как такие ориентиры имеют смысл лишь в том случае, если животное помнит, откуда оно только что пришло. Но крысы могут полагаться также и на ориентиры окружающей среды (следуя, например, правилу: «поворот налево по отношению к часам на стене»), используя их как ориентиры фиксированной или справочной памяти.

О'Киф и Нейдл вживляли регистрирующие электроды в гиппокамп крыс и изучали электрическую активность его клеток при пространственном обучении в лабиринте описанного типа. Довольно большая доля клеток давала ритмические вспышки высокочастотных сигналов (4-12 в секунду) более или менее независимо от характера поведения животного. Эта ритмическая активность интересна потому, что она соответствует так называемому тэта-ритму ЭЭГ и, возможно, отражает внимание, необходимое для усвоения или вспоминания той или иной формы поведения. Но еще больший интерес представлял тот факт, что значительное число клеток активировалось только при посещении крысой определенных участков лабиринта и/или при определенных формах поведения (поиски корма, питье воды и т. п.) на этих участках. О'Киф и Нейдл назвали такие нейроны «клетками мест», а участки лабиринта, на которых проявлялась их активность, — «полями мест».

Обобщив полученные данные, они создали теорию «Гиппокампа как когнитивной карты» — так была озаглавлена их книга, вышедшая в 1978 году. Заглавие утверлодало не только главенствующее положение гиппокампа в исследованиях по научению у животных, но и служило символом концептуального перехода психологов от грубых схем бихевиоризма и упрощенного ассоциационизма к представлению о животных как познающих существах, подобных в этом смысле человеку. Познавательное (когнитивное) поведение несводимо к простой цепи сочетаний различных реакций с подкреплением; оно отражает целенаправленную активность, формулировку гипотез и многое другое, что раньше игнорировала англо-американская психологическая школа [18].

Когнитивная карта в понимании О'Кифа и Нейдл — это не просто топографическое отображение пространства, в котором находится животное: она отражает также распределение клеточных систем, осуществляющих анализ и интеграцию пространственных ориентиров в контексте их значения для действий животного. Хотя в модели О'Кифа действительно есть особые «клетки мест» (в восьмидесятых годах другие исследователи обнаружили у обезьян клетки, отвечавшие даже на такие специфические стимулы, как фотографии определенных лиц), концепция когнитивной карты во многих отношениях служит прямой антитезой модели «клеточного алфавита», предложенной Кэнделом. «Клетку места» О'Кифа невозможно выделить и продемонстрировать ее «обучение в блюдце», поскольку ее реакции биологически значимы только в контексте всей деятельности нервной системы и всего поведения организма. Сочетание воспроизводимости и надежности долговременной потенциации как физиологического явления, данные о ключевой роли гиппокампа в памяти млекопитающих и воскресшая надежда на возможность плодотворного исследования клеточных процессов памяти привели в начале восьмидесятых годов к необычайному увлечению экспериментами на гиппокампе. Лаборатории, годами работавшие над более традиционными проблемами памяти, стали получать средства на закупку лабиринтов Морриса и установку оборудования для изучения ДВП. Этому способствовала простота экспериментирования на гиппокампе. Гиппокамп имеется у таких обычных лабораторных животных, как крысы и кролики, с которыми давно уже знакомы психологические и нейрофизиологические лаборатории, а исследования не требуют, например, аквариумов с морской водой для аплизий или знания новейших данных по нейроанатомии цыплят. Столь же доступны технические средства, такие как регистрирующие электроды и химические препараты. Феномен ДВП можно изучать на самых разных уровнях, от более или менее интактного организма до срезов ткани. К концу восьмидесятых годов гиппокампу было посвящено больше публикаций, чем любой другой области мозга, и появился даже новый журнал, полностью посвященный гиппокампу. На его изучение переключились даже лаборатории, работавшие раньше на беспозвоночных, в частности группа Элкона, для которой объектом служил моллюск Hermissenda.

Пользуясь случаем, хотел бы привлечь внимание к определению «англо-американская» в этом абзаце. В главах 5 и 6 я противопоставил сухой, абстрактный редукционизм, который доминировал в исследованиях поведения у психологов англо-американской школы с 20-х по крайней мере до 50-х и 60-х годов, гораздо более перспективным традициям других европейских школ, особенно тем, что создавались некоторыми учениками и последователями Павлова в Советском Союзе, зачастую в обстановке жесткого идеологического давления. В частности, нейрофизиолог Петр Анохин (чья научная деятельность пришлась на период от большевистской революции до его смерти в 1974 году) настойчиво подчеркивал необходимость рассматривать работу мозга как функциональной системы в ее непрерывном комплексном взаимодействии с окружающей средой [19]. Ученики Анохина уже давно разработали методы одновременной регистрации нейронной активности в различных отделах мозга у животных (преимущественно кроликов), настолько свободных в своем повседневном поведении, насколько это возможно в условиях лаборатории. По меньшей мере одновременно с О'Кифом и Нейдл (если не раньше) они обнаружили во многих отделах мозга клетки, активные тогда и только тогда, когда кролик находится в определенном месте и выполняет определенные действия. Одна из учениц Анохина, нейрофизиолог Ольга Виноградова, даже описала ДВП и дала интерпретацию этого явления [20].

Эти работы прошли и до сих пор остаются в значительной части незамеченными на Западе. Причины этого весьма поучительны. Во-первых, большинство материалов издано в России, где практика и стандарты научной публикации часто не соответствуют западным нормам, и на русском языке, что ограничивает их доступность для ученых других стран, которые все больше и больше теряют способность читать на иных языках, кроме английского, вследствие культурного и технического доминирования сначала британской, а потом американской науки, начавшегося в 1930-е годы. Во-вторых, для развития науки в США в послевоенном периоде весьма характерен так называемый «синдром ИНЗ». Изобретено не здесь — эта формулировка символизирует род научного шовинизма, склонности игнорировать или преуменьшать ценность всего, что делается за пределами США; если вы получили подготовку не в США, то лучшее, на что вы могли рассчитывать, — это попасть в один из очень немногих европейских, японских или австралийских институтов, престиж которых признавался вашими коллегами из США. В-третьих, советские исследования часто выполнены на значительно менее совершенном научном оборудовании, чем в западных лабораториях, и потому не воспринимаются как проведенные на должном методическом уровне. В-четвертых (и это, пожалуй, самое важное), до последнего короткого не-марксистского периода психология и нейрофизиология в Советском Союзе развивалась в рамках особой философской традиции, которая нарочито противопоставляла диалектическое понимание взаимосвязи между сознанием и мозгом механистическому редукционизму, преобладавшему в англо-американской науке [21]. В атмосфере подозрительности, свойственной периоду культурной холодной войны, и наивной веры, что приверженность редукционистской доктрине обеспечивает идеологическую свободу [22], исследования советских ученых легко квалифицировать как «тенденциозные». По мере того как становится все более очевидной теоретическая ограниченность наивного редукционизма (во всяком случае в нейронауках), а подозрительность времен холодной войны уходит в историю, настало время, чтобы автономная советская традиция в нейрофизиологии и психологии снова вошла в более интегрированную и универсальную нейронауку.

Биохимический механизм ДВП

После того как с изумительной точностью были картированы нейрофизиологические параметры ДВП, внимание сосредоточилось на его клеточных механизмах. Поскольку ДВП представляет собой целиком физиологически индуцируемую реакцию и в этом смысле может считаться искусственным феноменом, некоторые из критериев памяти, сформулированных в начале этой главы, в данном случае несостоятельны. Интерес представляют клеточные процессы инициирования и поддержания ДВП, а также последствия их подавления. К тому же чем больше становится отделов мозга, в которых обнаруживают ДВП-подобные эффекты, тем важнее знать, что такое ДВП — единый процесс или ряд различных, хотя и сходных, явлений. Иными словами, одинаков ли механизм инициации и поддержания ДВП в различных отделах мозга?

ДВП — это постсинаптический эффект, т. е. он развивается в нейроне в результате поступления внешнего сигнала от другого нейрона, образующего на нем синапс. Одна из первоочередных задач состояла в идентификации нейромедиатора, передающего этот сигнал. Вскоре было установлено, что такой ключевой молекулой служит глутаминовая кислота (глутамат) — аминокислота, хорошо известная как один из самых обычных возбуждающих медиаторов головного мозга, которая в больших количествах содержится в нейронах. Подобно всем медиаторам, глутамат высвобождается из пресинаптического окончания, когда туда приходят по аксону нервные импульсы. Аннет Долфин, работавшая с Тимом Блиссом, показала, что при стимуляции перфорантного пути in vivo усиливается высвобождение глутамата в гиппокампе. Биохимические механизмы этого процесса были довольно подробно исследованы Мариной Линч. Глутамат выделяется с пресинаптической стороны синапса между приходящим сюда волокном перфорантного нерва и нейроном гиппокампа. Исходя из этих данных, Линч и Блисс утверждали (как ранее Кэндел в случае серотонина у аплизий), что для ДВП важное значение имеет пресинаптическая пластичность, а постсинаптическая клетка просто реагирует надлежащим образом на более сильную стимуляцию глутаматом.

Но в биологии все непросто. Глутамат — всего лишь один из многих десятков медиаторов, и он взаимодействует с постсинаптической клеткой несколькими различными способами. Существует по меньшей мере три разных типа постсинаптических рецепторов глутамата; их распределение между чувствительными к этому веществу клетками различно, у них разные фармакологические свойства, и каждый из них вызывает специфическую постсинаптическую реакцию. Таким образом, хотя рецепторы всех трех типов взаимодействуют с глутаматом, некоторые из них реагируют и с другими химически сходными молекулами, а есть и рецепторы с иными формами специфичности. Один из классов рецепторов для глутамата известен как NMDA-рецепторы, поскольку действие глутамата на них можно имитировать инъекцией сходного с ним соединения N-метил-D-аспарагиновой кислоты. Введение веществ, специфически связываемых NMDA-рецепторами, блокирует индукцию ДВП, но не подавляет уже развившуюся потенциацию. Препараты, реагирующие с другими типами рецепторов глутамата, не обладают таким действием. Поэтому можно заключить, что рецепторы NMDA-типа играют важную роль в инициировании ДВП. В отличие от группы Блисса другие лаборатории продемонстрировали увеличение количества этих рецепторов на нейронах гиппокампа после индукции ДВП, что переместило центр интереса с пресинаптических механизмов на постсинаптические.

Каким образом усиление секреции глутамата или увеличение количества взаимодействующих с ним рецепторов вызывает последующие пре- и постсинаптические изменения? Как и у аплизий, ключевую роль здесь играют ионы кальция. Если концентрация кальция в инкубационной среде для срезов гиппокампа возрастает, индукция ДВП облегчается, тогда как после удаления кальция вызвать ДВП не удается. Введение в постсинаптическую клетку молекул, связывающих ионы кальция и выводящих их из раствора, тоже блокирует ДВП. Это позволило Гэри Линчу[26], работающему в Ирвине (Калифорния), предположить, что ДВП инициируется каким-то процессом, включающим усиленное поглощение кальция постсинаптической клеткой. По мере появления новых данных модель Линча обогащалась деталями, но в ее раннем варианте, который он разработал вместе со своим давним сотрудником Мишелем Бодри [24], предполагаемое действие кальция состояло в активации фермента на постсинаптической стороне, разрушающего белки.

Согласно этой модели, активированный фермент действовал на уровне синаптической мембраны, где в результате возрастало количество доступных связывающих участков NMDA-рецепторов, которые до того оставались погруженными в поверхностный слой мембраны и потому неактивными. А большее число связывающих участков означало повышенную чувствительность постсинаптической клетки к глутамату и, следовательно, большую вероятность ее возбуждения.

Между тем известны многообразные внутриклеточные эффекты кальция, поэтому возможны и другие пути его воздействия на синаптическую мембрану. К наиболее важным молекулярным компонентам мембраны относятся различные белки, способные обратимо присоединять фосфатные группы. При связывании фосфата (этот процесс называется фосфорилированием) форма белка изменяется, что может приводить к закрытию или открытию каналов, пронизывающих всю толщу мембраны от ее наружной поверхности до внутренней. Эти каналы обусловливают проницаемость мембраны для ионов или молекул, которые могут проникать в клетку и действовать как сигналы для инициации биохимических каскадов, что в конечном итоге приводит к синтезу новых компонентов синаптической мембраны и тем самым к перестройке синапса. В следующей главе я расскажу, как это происходит. Фосфорилированию подвержены многие мембранные белки, постсинаптические и пресинаптические, а ферменты, катализирующие этот процесс, носят общее название протеинкиназ. Одна из них специфически активируется кальцием (и потому ее также сокращенно обозначают Са-ПК). В конце восьмидесятых годов благодаря работам нескольких лабораторий стало ясно, что вещества, подавляющие активность этого фермента, блокируют и ДВП. В связи с этим пришлось пересмотреть модели механизмов ДВП и включить в них эффект, опосредуемый через фосфорилирование специфических пре- и постсинаптических мембранных белков [25]. Хотя еще в полном разгаре споры о том, что важнее — пре- или постсинаптические изменения, не исключено (как это нередко, хотя и не всегда, бывает в науке), что в чем-то правы оба лагеря. Механизмы памяти скорее всего связаны с изменениями по обе стороны синапса.

Можно ли считать ДВП памятью?

Долговременная потенциация в гиппокампе, несомненно, представляет собой необычайно перспективную модельную систему, которая уже позволила получить много данных о том, как можно связать нейрофизиологические изменения с биохимическими и структурными механизмами. Однако я не убежден, что уже поставлены наиболее важные биохимические вопросы, — отчасти потому, что слишком много внимания уделялось интимным синаптическим процессам, связанным с инициацией ДВП, и на удивление мало — самой долговременности этого феномена, которая кажется мне наиболее интересной его стороной. Изменения в притоке ионов кальция, в фосфорилировании мембранных белков или в активации NMDA-рецепторов — все это возможные механизмы кратковременного изменения электрических свойств клетки, но если мы хотим, чтобы ДВП действительно служила моделью долговременной памяти, важно знать, что сообщает этому изменению устойчивость, что привносит букву Д в аббревиатуру ДВП.

Особая ценность ДВП как модели, помимо возможности еще более свободно, чем в случае с аплизией, переходить с одного уровня анализа на другой (от интактного организма к срезу), определяется геометрическим фактором. Клеточные и биохимические изменения, которые нужно связать с поведенческими реакциями, так же как образование следов памяти, должны быть точно локализованы во времени и пространстве, в соответствии с критериями, сформулированными в начале этой главы. Гиппокамп — это одна из областей мозга млекопитающих, строение, связи и геометрия которой хорошо известны, что делает в принципе осуществимым такое картирование. Поэтому при разработке моделей памяти гиппокамп открывает большие возможности для проверки хеббовских закономерностей обучения на нейронах, связи которых действительно известны, а не остаются предметом догадок [26}.

Возвращаясь к вопросу, с которого я начал обсуждение феномена долговременной потенциации, попробуем решить, действительно ли она может служить моделью длительных изменений в нервной системе или, более того, это и есть сам механизм памяти? В пользу того, что ДВП — это механизм, обеспечивающий хранение в мозгу следов памяти, говорит (как я уже отмечал) прежде всего хорошо известная роль гиппокампа в различных формах памяти, так же как и факт существования ассоциативных форм ДВП. Но дальнейшие аргументы носят уже гипотетический характер. Так, например, ДВП усиливается у крыс, обученных находить корм в оперантных задачах, тогда как блокирующие ДВП вещества препятствуют также обучению в условиях водного лабиринта. С возрастом крысы утрачивают способность обучаться новым навыкам, и в то же время у них не наблюдается потенциация. Но если сопоставить эти доводы с критериями, сформулированными в начале главы, они уже не будут выглядеть столь убедительными.

Имеются два рода наблюдений, которые, мне кажется, ставят под сомнение правомерность прямых параллелей между ДВП и памятью. Во-первых, появляется все больше данных, что подобные ДВП явления не ограничены гиппокампом — при известных обстоятельствах они проявляются во многих других областях мозга, в том числе (и особенно) в его коре, как показали Линн Байндмен в Лондоне и Алексей Воронин в Москве [27]. Это ставит под сомнение доводы в пользу связи между ДВП и процессами памяти в гиппокампе. В одном из своих изящных исследований Кэрол Барнс, чьи ранние работы были посвящены выявлению корреляций между старением, научением и ДВП, содержала крыс в информационно-обогащенной среде, как это было в экспериментах Розенцвейга, Беннета и Даймонда (глава 6). Она нашла, что чем дольше крысы оставались в такой среде, тем слабее у них в последующем индуцировалась ДВП в гиппокампе [28].

Моя собственная интерпретация этого наблюдения (не обязательно совпадающая с интерпретацией автора) подсказывает мысль, что ДВП могла быть не чем иным, как простым артефактом, возможным только тогда, когда животные выросли в сильно обедненных условиях лаборатории. Может быть, способность их к формированию когнитивных карт в гиппокампе в таких условиях просто не находила себе применения, и поэтому их мозг жадно реагировал на новую информацию при нейрофизиологической стимуляции входных нервных путей. В более нормальных, естественных условиях, где такая стимуляция и ее последствия были бы повседневными событиями, ДВП, возможно, вообще бы отсутствовала. Таким образом, ДВП может быть артефактом, следствием обедненных условий содержания лабораторных животных. Это сам по себе интересный феномен, но еще более аномальный, чем позволяло предполагать осторожное предупреждение Блисса и Лёмо в 1973 году. Прежде чем дальше теоретизировать по поводу такого предположения, его нужно проверить, чтобы установить, можно ли вызвать ДВП у животных, выросших в естественных, не столь однообразных условиях дикой природы.