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

Впоследствии было доказано, что обеспечиваемый CREB -белками перевод кратковременной памяти в долговременную работает одинаково у нескольких разных видов животных, что свидетельствует об эволюционной консервативности этого механизма. В 1993 году Тим Талли, специалист по генетике поведения из лаборатории в Колд-Спринг-Харбор на Лонг-Айленде в штате Нью-Йорк, разработал изящный метод изучения долговременной памяти, которая обеспечивает формирование приобретенного страха у мух. В 1995 году с Талли стал сотрудничать специалист по молекулярной генетике Джерри Инь, и вместе они установили, что для долговременной памяти дрозофилы необходимы CREB -белки. Как и у аплизии, CREB -активаторы и CREB -репрессоры играют в этом процессе ключевую роль. CREB -репрессор блокирует преобразование кратковременной памяти в долговременную. Что еще поразительнее, у специально выведенных мух-мутантов, производивших CREB -активатор в избыточном количестве, наблюдались аналоги мнемических фотовспышек. После нескольких повторов процедуры обучения, в ходе которой определенный запах сопровождался электрическим ударом, у нормальных мух вырабатывалась только кратковременная память, вызывающая страх перед этим запахом, а у мух-мутантов такое же количество повторов обеспечивало формирование долговременной памяти. Со временем выяснилось, что тот же механизм, обеспечиваемый CREB -белками, играет важную роль во многих формах имплицитной памяти у множества других видов, от пчел до мышей и людей.

Таким образом, совмещая анализ поведения вначале с клеточной нейробиологией, а затем с молекулярной биологией, мы смогли общими усилиями поучаствовать в закладке фундамента молекулярной биологии элементарных психических процессов.

Тот факт, что механизм преобразования кратковременной памяти в долговременную при обучении несложным реакциям оказался одинаковым у множества простых животных, обнадеживал нас и подтверждал убеждение, что базовые механизмы работы памяти эволюционно консервативны. Но с ним был связан непростой вопрос из области клеточной биологии нейронов. У одного сенсорного нейрона около 1200 синаптических окончаний, связывающих его примерно с 25 клетками-мишенями: мотонейронами жабр, мотонейронами сифона, мотонейронами чернильной железы и возбуждающими и тормозными интернейронами. Мы установили, что кратковременные изменения происходят лишь в некоторых из этих синапсов и не происходят в других. Это было вполне логично, потому что однократный удар током в заднюю часть тела или однократное введение серотонина вызывает локальное повышение концентрации циклического АМФ, затрагивающее только определенный набор синапсов. Но долговременные синаптические изменения требуют транскрипции генов, которая происходит в ядре и приводит к синтезу новых белков. Можно было ожидать, что эти белки будут поступать во все синаптические окончания нейрона. Тем самым, если только какой‑то особый клеточный механизм не ограничивает эффект изменений некоторыми определенными синапсами, долговременное усиление должно происходить во всех синаптических окончаниях нейрона. Если бы это было так, каждое долговременное изменение закреплялось бы во всех синапсах участвующих в этом процессе нейронов. Возникает вопрос, как обеспечивается локализация механизмов долговременного обучения и памяти в определенных синапсах.

Мы с Гелетом немало размышляли над этим вопросом и в 1986 году в своей обзорной статье в Nature предложили схему, которая стала известна под названием синаптической маркировки. Мы предположили, что мимолетные изменения в определенном синапсе, обеспечивающие кратковременную память, каким‑то образом маркируют его, и эта маркировка позволяет распознавать и задерживать белки в районе данного синапса.

Вопрос о том, как клетка направляет белки к определенным синапсам, как нельзя лучше подходил для Келси Мартин – необычайно одаренной специалистки по клеточной биологии, получившей двойную степень доктора медицины и доктора философии в Йельском университете. После окончания Гарвардского колледжа Келси и ее муж работали в Африке по программе Корпуса мира [24]. Когда они начали исследования в Колумбийском университете, у них уже был сын Бен. В период работы Келси в нашей лаборатории у них родилась дочь Майя. Присутствие Келси придавало жизни нашей лаборатории особый дух – не только потому, что она с редким мастерством занималась наукой самого высокого уровня, но и потому, что у всех нас поднималось настроение, когда она с 16.00 до 18.00 превращала наш небольшой конференц-зал – столовую в веселый детский сад для одаренных детей.

Отследив поступление протеинкиназы A в ядро и обнаружив в нем CREB -белки, мы прошли по пути внутриклеточных реакций от синапса до ядра. Теперь нам предстояло пойти в обратном направлении. Нам с Келси нужно было выяснить, чем синапс сенсорного нейрона, обрабатываемый серотонином и претерпевающий долговременные структурные изменения, отличается от необработанных синапсов того же нейрона. Мы это сделали в культуре клеток с помощью полученной нами новой экспериментальной системы.

Мы выращивали отдельный сенсорный нейрон с разветвленным аксоном, образовывавшим синаптические связи с двумя разными мотонейронами. Затем мы имитировали поведенческое обучение, как и раньше, вводя в область синапсов серотонин, но при этом обрабатывая только синапсы, связывающие сенсорный нейрон с одним из двух моторных. Однократное введение серотонина, как и ожидалось, приводило к кратковременному усилению связи только в этих синапсах. Но и пятикратное введение серотонина вызывало долговременное усиление связи и отрастание новых синаптических окончаний только в тех синапсах, которые мы обрабатывали. Результат был удивителен тем, что для долговременного усиления связей и отрастания новых окончаний требуется активация генов CREB -белком, которая происходит в ядре клетки и должна, казалось бы, действовать на все ее синапсы. Когда Келси блокировала работу CREB -белка в ядре, это подавляло усиление связи и рост новых окончаний в области обрабатываемых синапсов (рис. 19–2).

Открытие продемонстрировало нам одно важное свойство вычислительных способностей нервной системы. Оно показало, что, хотя нейрон может образовывать тысячу или больше синаптических связей с разными клетками-мишенями, отдельные синапсы могут видоизменяться независимо при формировании как кратковременной, так и долговременной памяти. Независимость долговременной деятельности синапсов дает нейрону необычайную вычислительную пластичность.

Но чем обеспечивается эта поразительная избирательность? Мы рассмотрели два возможных ответа: что нейрон направляет информационную РНК и белки только к тем синапсам, которые маркированы для формирования долговременной памяти, и что информационная РНК и белки поступают ко всем синапсам нейрона, но только маркированные синапсы могут использовать их для отращивания новых окончаний. Начали мы со второй гипотезы, потому что ее было проще проверить.