Стивен Роуз - Устройство памяти. От молекул к сознанию

Конструкторская проблема обособления мозга от пищеварительной системы была решена на уровне позвоночных животных, у которых был создан внутренний скелет на основе позвоночника. В результате черепная полость могла вмещать теперь увеличенный головной ганглий (головной мозг), а нервы, идущие от него к остальным частям тела, оказались внутри позвоночного канала, образовав спинной мозг. Ганглии, не включенные в эту центральную нервную систему, потеряли прежнее значение, а степень их автономии уменьшилась. Но, несмотря на столь радикальные структурные изменения, принципы клеточной организации нервной системы с ее нейронами, синапсами и нейронными ансамблями у позвоночных остались теми же, что и у беспозвоночных. Это в основном относится и к биохимии нервной системы. Такая ситуация несколько сродни тем многообразным изменениям транспортных средств с двигателем внутреннего сгорания, которые они претерпели со времени изобретения этого двигателя в конце прошлого века. Автомобили, мотоциклы и самолеты могут вбирать в себя самые удивительные конструкторские решения, оборудоваться улучшенными моторами, ежегодно менять эффективность, стиль и отделку, но использовать прежний принцип работы двигателя с его цилиндрами и клапанами, топливо на основе нефтепродуктов и колеса для движения по грунту.

С появлением позвоночных изменились не элементы, из которых построена нервная система, и не основные пути получения и, преобразования энергии, а принцип ее организации в целом; система обладает полностью сформировавшимися механизмами научения и памяти, которые свойственны всем млекопитающим, в том числе (в наиболее развитых формах) приматам, а среди них, конечно, и человеку. Вопрос о том, сохраняется ли (несмотря на радикальные конструктивные изменения) сходство клеточных механизмов научения и памяти у беспозвоночных и позвоночных, или же они в корне различны, требует дальнейшего изучения. Его обсуждению будет посвящена часть следующей главы. Задача же данного раздела, состоявшая в том, чтобы проследить эволюцию явлений, сходных с памятью у животных (исключая человека), выполнена.

Когда в 1929 году физиолог-любитель из Швейцарии Ганс Бергер описал, как с помощью набора электродов, закрепленных на голове человека, ему удалось зарегистрировать непрерывные вспышки электрической активности в мозгу, никто сначала не принял это сообщение всерьез. Обсуждая аналогии памяти, я уже упомянул феномен «животного электричества» и его связь с нервной активностью; он был известен очень давно, по крайней мере с того времени, как в 1790-х годах Гальвани продемонстрировал в Болонье, как электрические разряды вызывают подергивание лапок лягушки. В 1875 году Кейтон, профессор физиологии из Ливерпуля, показал, что электроды, приложенные к обнаженному мозгу кроликов, регистрируют электрические импульсы. Однако Бергер выявлял импульсы, проходящие через кости черепа, поэтому их вполне можно было бы счесть артефактом, если бы в середине тридцатых годов нашего века кембриджские нейрофизиологи Эдриан и Мэттьюз не подтвердили эти наблюдения в систематических исследованиях. Непрерывная электрическая активность мозга носила характер своеобразных волн, различавшихся во время сна и бодрствования, в периоды умственного напряжения и покоя.

Одно время казалось, что тайны души заключаются в изменчивых линиях электроэнцефалограммы (ЭЭГ) [1]. Нельзя ли найти в них и ключ к механизмам памяти? Быть может, воспоминания хранятся в форме непрерывно реверберирующих цепей, электрических контуров, создающихся в результате замыкания и размыкания различных синаптических соединений? Увы, недолгая популярность этой идеи не выдержала испытания: как показали исследования, долговременная память сохраняется даже после дезорганизации всей электрической активности мозга (например, при электрошоке или припадке эпилепсии) или почти полного ее прекращения, как при коме или сотрясении мозга. Поэтому, не исключая зависимости самых кратковременных фаз памяти от непрерывной электрической активности мозга (о чем в свое время будет сказано подробнее), следует подчеркнуть, что любой сколько-нибудь длительный след памяти должен быть воплощен в каком-то более стойком изменении.

Какую, однако, форму могут иметь такие следы и на каких уровнях их надо искать? Согласно концепции Хебба, изложенной в главе 6, формирование следов памяти связано с ростом или перестройкой синапсов — процессом, приводящим к построению новой системы межнейронных связей, которые могут в дальнейшем сохраняться. Эта гипотеза получила широкое признание, хотя отнюдь не остается единственной. Сколько же синапсов и нейронов может соответствовать одному простейшему следу? И что такое «простейший след»? Можно ли сказать: «одна ассоциация — один синапс»? Или в ассоциации участвует сразу много клеток и синапсов? Находятся ли эти клетки и синапсы в определенном участке мозга или разбросаны по разным областям? Не повторяется ли каждый след многократно? Споры относительно локализации отражают противоречивость данных, полученных при изучении мозга, и попыток интерпретации их на клеточном уровне. Заключены ли воспоминания постоянно в одном и том же наборе клеток, или же их сохранение — более динамичный процесс? Все эти вопросы остаются пока без ответа даже в рамках концепции Хебба, и их решение поможет выяснить, на каком уровне клеточной организации мозга представлены следы памяти.

Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо также создать экспериментальные модели для проверки различных гипотез и достаточно точные методы, которые позволили бы выявлять и измерять предполагаемые изменения. До самого последнего времени невероятной казалась сама мысль использовать микроскопическую технику, чтобы наблюдать изменения в структуре нейронов и синапсов, происходящие при научении, — хотя бы потому, что для этого надо хорошо представлять себе, в какой части мозга следует вести поиски и что именно измерять. Возможен, однако, иной подход: если научение действительно связано со структурными изменениями в синапсах, а синапсы построены из белков и набиты молекулами нейромедиаторов, то оно должно сопровождаться синтезом новых белков и медиаторов. Так не проще ли измерять процессы биосинтеза, чем пытаться непосредственно выявить структурные изменения?

Живые организмы значительно более постоянны, чем составляющие их молекулы. Ни одна молекула в нашем теле не остается неизменной дольше нескольких недель или месяцев. На протяжении этого периода даже во взрослом организме молекулы синтезируются, выполняют свою роль в жизни клетки, а потом отбрасываются за ненадобностью, разрушаются и заменяются другими более или менее идентичными молекулами. Самое удивительное в этом безостановочном круговороте то, что строение клеток и всего тела, которые состоят из этих молекул, остается неизменным, несмотря на замену отдельных компонентов. В этом смысле недостаточно даже сравнение с автомобилем, в котором так часто выбрасывают прохудившийся глушитель, дефектную свечу или часть кузова, заменяя их новыми деталями. Тело лучше сравнить с кирпичной постройкой, из которой сумасшедший каменщик непрерывно, ночью и днем вынимает один кирпич за другим и вставляет на их место новые. При этом наружный вид постройки остается прежним, хотя материал постоянно заменяется. Белковые молекулы тела тоже заменяются («оборачиваются»), подобно кирпичам постройки, таким образом, что в среднем каждые две недели их состав обновляется наполовину. Синтез новой белковой молекулы занимает несколько минут. Образовавшаяся молекула переносится в ту часть клетки, где она нужна, и остается там на протяжении часов, недель или месяцев, пока не приходит время замены; тогда молекула покидает свое место в клетке и разрушается ферментами так же быстро, как некогда образовалась, а компоненты, из которых она построена (аминокислоты), повторно используются для синтеза других белков. В нормальных условиях скорость биосинтеза и распада белков во взрослом организме одинакова. Когда в конструкцию включается один новый кирпичик, из нее изымается в среднем один старый. Предположим, однако, что решено пристроить к вашему дому еще одну печную трубу. Для этого нужно на какое-то время увеличить скорость кладки в определенном месте строения — на крыше, не изменяя скорость выемки кирпичей; тогда их общее количество в постройке по мере наращивания трубы будет увеличиваться. После того как труба готова, скорость кладки можно опять понизить до первоначальной, уравняв ее со скоростью выемки. В результате такого кратковременного изменения режима работы у вас будет дом с трубой, который придется поддерживать так же, как до ее постройки. Именно так обстоит дело с синапсами. Если в процессе обучения они действительно возникают заново или перестраиваются, то в этот период можно ожидать ускорения белкового синтеза. И наоборот, если при запоминании требуется синтез белка для построения синапсов, то, остановив этот синтез на время обучения, можно будет блокировать образование новых следов: животное, обучавшееся выполнять определенную задачу, при попытке повторить нужные действия будет вести себя так, как будто оно не помнит, что надо делать, т. е. страдает амнезией. Таковы были представления о биохимических исследованиях памяти в начале шестидесятых годов. К счастью, тогда имелись уже простые методы для определения скорости белкового синтеза и его ингибирования (подавления). Белки образуются путем соединения в длинные цепи отдельных составляющих элементов — аминокислот, которые либо синтезируются самим организмом, либо поступают с пищей. Поэтому, измеряя скорость включения аминокислот в белки, можно судить о скорости образования последних. Если меченную радиоактивным изотопом аминокислоту (как в эксперименте I, описанием в главе 2) давать животному с кормом или вводить путем инъекции, она будет включаться в состав белков вместе с немечеными аминокислотами, и тогда образующиеся белки будут обладать слабой радиоактивностью. Уровень радиоактивности белка пропорционален скорости его синтеза, и это позволяет измерять последнюю простыми и очень чувствительными методами. В состав белков входят двадцать различных природных аминокислот, а каждый индивидуальный белок представляет собой уникальную цепочку из нескольких сотен таких структурных единиц. Точная сборка аминокислот в такого рода цепи осуществляется при посредстве другой гигантской молекулы -- рибонуклеиновой кислоты (РНК), которая в свою очередь синтезируется под прямым контролем генетического материала клетки — дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). (Именно в этом смысле, хотя и не совсем правильно, говорят, что гены «направляют» белковый синтез.) Поэтому для ускоренного образования белка может потребоваться также увеличение синтеза РНК, который можно измерить аналогичным способом, используя радиоактивный предшественник РНК.