Эрик Кандель - В поисках памяти

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

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

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

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

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

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

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

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

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