Мозг материален - Ася Казанцева

То есть у вас есть целое животное, и у него есть поведение. Например, когда вы задеваете сифон (трубку, которая соединяет мантийную полость с внешней средой и служит, например, для выведения отходов жизнедеятельности), аплизия немедленно втягивает внутрь и сам сифон, и жабры – они тонкие и их важно беречь от внешних угроз. Это врожденный рефлекс, но вы можете модифицировать его с помощью обучения: приучить аплизию не обращать внимания на слабые прикосновения к сифону или, наоборот, напугать ее, ударив током (причем неважно, в какую часть тела), чтобы она снова втягивала жабры в ответ на самое незначительное воздействие.

Вы можете разобрать аплизию, чтобы посмотреть, где у нее что находится. Вы видите, что чувствительный нерв от сифона заходит в абдоминальный ганглий (брюшной нервный узел). Вы видите, что из этого же ганглия выходит нерв, ведущий к жабрам и заставляющий их втягиваться. Вы начинаете разбирать абдоминальный ганглий поклеточно и находите там сенсорный нейрон. Если вы вставите в него записывающий электрод, то увидите, что этот нейрон активируется от прикосновения к сифону животного. А еще вы найдете рядышком моторный нейрон. Если простимулировать его с помощью электрода, то ваша аплизия втянет жабры.

Теперь вы можете ставить эксперименты по обучению полуразобранной аплизии – чем, собственно, и занялись Кандель и его коллеги. В одном из первых своих ключевых экспериментов[151], в 1970 году, они оставили от аплизии кусочек кожи с сифона, чувствительный нерв, ведущий от него к абдоминальному ганглию, и собственно абдоминальный ганглий. Убедились, что действительно, когда в такой конструкции вы прикасаетесь к коже, моторный нейрон активируется – как если бы аплизия втягивала жабры. Но если вы прикоснетесь к коже много раз, то моторный нейрон перестает активироваться – как если бы аплизия привыкла и перестала обращать внимание. А если вы оставите препарат в покое на двадцать минут и потом снова прикоснетесь к коже, то моторный нейрон снова активируется – как если бы аплизия отдохнула. А еще вы можете воздействовать электрическим током на остатки любого другого чувствительного нерва из тех, что раньше заходили в абдоминальный ганглий из разных концов тела. И в этой ситуации моторный нейрон снова начнет активироваться, хотя аплизия еще не отдохнула. Это потому, что вы ее напугали. Ну, точнее, напугали то, что от нее осталось.

Уже на этом раннем этапе работы можно вставлять много электродов в разные нейроны аплизии – чтобы регистрировать собственную активность клеток и чтобы подавать на них импульсы. Можно изменять состав солевого раствора, в котором все это происходит, чтобы усиливать или ослаблять передачу сигналов. И можно прицельно изучать один-единственный синапс – контакт между сенсорным нейроном и моторным нейроном. То, что на уровне целой аплизии выглядит как привыкание к прикосновениям, на уровне этого единственного синапса выглядит как кратковременное снижение его способности передавать сигналы. Если вы снова напугаете аплизию, то уже будут задействованы какие‐то другие нейроны – в 1970 году пока не было понятно, какие конкретно, и сколько, и как именно они подсоединены, – но они влияют на тот самый контакт между сенсорным и моторным нейроном и снова увеличивают эффективность проведения импульсов. Но тоже ненадолго.

Привет. Это кратковременная память. Целая аплизия ненадолго запоминает, что она привыкла к стимуляции. Или ненадолго запоминает, что она испугана. Для этого она соответственно снижает или повышает проводимость этого своего ключевого синапса между сенсорным и моторным нейроном. Полуразобранная аплизия делает то же самое, и это поддается непосредственному измерению.

В 1970 году было еще неизвестно, как именно аплизия это делает, какие конкретно молекулы отвечают за то, что проводимость синапса временно увеличивается, а главное – имеет ли этот феномен какое‐то отношение к настоящему обучению, долгосрочным и устойчивым изменениям в поведении животного, или они происходят как‐то совсем иначе. Данные накапливались постепенно, кирпичик за кирпичиком, в десятках последующих работ, – но неуклонно. Кандель и его коллеги научились выращивать аплизий в лаборатории, а не ловить на побережье. Это само по себе было нетривиальной задачей, потому что понадобилось выследить, какой конкретно вид водорослей обязательно должен присутствовать в рационе детенышей. Наличие юных аплизий позволило извлекать из них нейроны и культивировать их в чашке Петри (нейроны взрослых хуже переносят такое обращение). В таких условиях более удобно делать с нейронами что захотите, например поливать их растворами разных веществ и смотреть, что получится. А получалось многое.

Во-первых, для того чтобы усилить проводимость синапса, необязательно механически воздействовать на кожу или стимулировать нейроны с помощью электродов. Можно просто полить синапс серотонином, эффект будет аналогичным.

Во-вторых, воздействие на синапс приводит к увеличению в сенсорном нейроне концентрации цАМФ, циклического аденозинмонофосфата. Это такая молекула-посредник, ее основная биологическая роль заключается в том, чтобы сообщать внутриклеточным белкам, что на мембране происходит что‐то интересное. Более того, если на 15 минут залить синапс раствором цАМФ (точнее, раствором его синтетического аналога, способного проникать сквозь клеточную мембрану), то это тоже усилит проведение сигнала.

В-третьих, когда мы говорим о прямых направленных воздействиях на синапс, будь то механическая стимуляция, электрическая или с помощью серотонина, то одноразовое действие приводит к изменению проводимости синапса на несколько минут. Но вот если повторить такое воздействие пять раз подряд, то эффект окажется устойчивым, будет сохраняться даже через сутки.

В 1988 году, располагая этими данными, Кандель и его коллеги перекинули мостик от кратковременной к долговременной памяти[152]. Они проверили сразу две гипотезы, в поддержку которых говорили косвенные данные, но ощущалась нехватка прямых экспериментальных доказательств.

Во-первых, Кандель и его коллеги показали, что если долго, около двух часов, поддерживать повышенную концентрацию цАМФ в нейронах, то и изменение проводимости синапсов окажется долгосрочным. А если использовать всякие другие молекулы-посредники, то ничего не произойдет. Это очень важно, потому что это означает, что различие между кратковременной и долговременной памятью скорее количественное, чем качественное, – в том смысле, что одни и те же молекулы, в зависимости от продолжительности воздействия, вызывают либо краткосрочные, либо долгосрочные изменения.

Во-вторых, и это еще важнее, долгосрочные эффекты пропадают, если одновременно добавить в питательную среду анизомицин. Это вещество, которое подавляет в эукариотических[153] клетках синтез белка. Оно никак не влияет на краткосрочные изменения проводимости синапса. А вот если мы хотим, чтобы синапс изменился надолго, то без производства новых белков это невозможно.