Будь на волне! Будь с нами!

В поисках памяти

Кто такая аплизия? Это милый моллюск, изучение которого помогло раскрыть физиологические механизмы памяти и обучения

В 2000 году американский нейробиолог Эрик Кандель совместно с двумя своими коллегами, Полом Грингардом и Арвидом Карлссоном, получил Нобелевскую премию по физиологии или медицине — «за открытия, связанные с передачей сигналов в нервной системе».

В книге «В поисках памяти», выпущенной на русском издательством Corpus, Кандель подробно описывает свою жизнь и научную карьеру, посвящённую исследованию памяти. Важнейшим моментом этой карьеры, на десятилетия определившим её развитие, стал выбор объекта для эксперимента.

В конце пятидесятых годов Канделя, совсем ещё молодого учёного, больше всего интересовал вопрос биологических основ процесса обучения, запоминания. Он был убеждён, что исследовать их нужно на уровне отдельных клеток, работая с простейшими формами поведения — рефлексами. 

У Канделя ушло полгода на поиски идеального организма. Млекопитающие не подходили — слишком сложная нервная система. Нужно было выбирать из беспозвоночных. Но если коллеги Канделя экспериментировали с раками, омарами, пчелами, мухами, червями или улитками, то он выбрал для себя моллюска аплизию.

Впервые аплизию описали ещё в античности, назвав её морским зайцем (за отдалённое сходство с пугливым ушастым зверем).

Некоторые античные естествоиспытатели считали аплизию священным животным — уж очень впечатляла их её реакция на угрозу: потревоженная аплизия обильно выделяет яркую фиолетовую жидкость, похожую на чернила.

Для Канделя это был радикальный инстинктивный выбор. На тот момент аплизию подробно изучали всего двое биологов, причём оба жили во Франции. Их опыт был Канделю необходим, так что ему пришлось уйти из Национальных институтов здоровья в США, где он на тот момент успешно работал, и переехать на другой континент. 

Но решение было оправданным.

Дело в том, что нервная система аплизии проста и состоит из небольшого числа клеток. При этом клетки очень крупные — некоторые видны даже невооружённым глазом. Таким образом, учёный мог составить карту всей системы нейронных цепей, управляющих той или иной формой поведения моллюска.

Кандель нашёл объект, на котором ещё долгие годы проводил важнейшие исследования процессов обучения и формирования памяти:

Выяснялось, что работа с аплизией в качестве экспериментального объекта не только удивительно информативна, но и доставляет массу удовольствия. Мои отношения с аплизией, которые начались со страстного увлечения, порожденного надеждой найти подходящее для исследований животное, перерастали в серьёзную связь.

Эрик Кандель, нейробиолог, нобелевский лауреат

В этой статье мы расскажем об основных открытиях и экспериментальных подтверждениях нейрофизиологических теорий, которые удалось совершить благодаря исследованию аплизии.

Канделя в полной мере можно считать последователем знаменитого отечественного физиолога Ивана Петровича Павлова. Первые его эксперименты с аплизией были схожи с павловскими — с помощью искусственных сенсорных раздражителей Кандель добивался от моллюска изменения поведения. С той лишь разницей, что поведение млекопитающего, даже рефлекторное, устроено гораздо более сложно, чем у моллюска — и на простом организме Кандель смог показать, что изменение поведения происходит на уровне отдельных нейронных связей.

Аплизия дышит с помощью жабр и для их защиты рефлекторно втягивает их. У всех аплизий за это отвечают одни и те же нейроны. Казалось бы, уж такое простое поведение у здорового организма всегда одинаково. Но выяснилось, что это не так:

• при неоднократных прикосновениях к поверхности кожи моллюска амплитуда рефлекса втягивания жабр постепенно уменьшается, а связь между нейронами, задействованными в рефлексе, ослаблялась — это эффект привыкания;

• при ударах тока, вызывающих повышенную чувствительность (сенсибилизацию) у моллюска, рефлекс втягивания жабр усиливался, также усиливалась связь между нейронами; 

• чередуя прикосновения и удары током (слабые и сильные раздражения), Кандель добился того, что у аплизии произошла их ассоциация — моллюск начал сильно втягивать жабры даже при слабом раздражении — это классический условный рефлекс.

Что это означает? У моллюска есть простые поведенческие аналоги сложных форм поведения, которые характеризуют научение у млекопитающих, в том числе человека. Аплизия запоминала свой опыт, и её рефлекс втягивания жабр работал по-разному в зависимости от предшествующего раздражения. 

Как именно работает рефлекс втягивания жабр у моллюска? Благодаря простому строению аплизии, Канделю удалось понять механизм этой реакции. Оказалось, что за неё отвечают два разных типа нейронов — сенсорные нейроны, в которых при раздражении возникает потенциал действия, и моторные, в которых возникают ответные потенциалы, что приводит к втягиванию жабр.

В результате привыкания к раздражителю или, наоборот, повышения чувствительности изменялась связь между сенсорным нейроном и мотонейроном — эффективность передачи сигналов между ними снижалась или усиливалась. 

Процесс обучения у живых существ происходит не в каком-то конкретном нейроне, а внутри устойчивой связи между двумя нейронами. Такая связь, соединение нейронов, называется синапсом.

В своих простейших формах обучение осуществляет выбор из широкого репертуара заранее заданных связей и изменяет силу определенного подмножества этих связей.

Эрик Кандель

Подводя в журнальной статье итоги первым экспериментам с аплизией, Кандель подчеркнул, что использование методов выработки условных рефлексов может позволить исследовать и более сложные формы изменения поведения. И оказался прав.

Наша память делится на кратковременную и долговременную. У первой довольно небольшой объём — это то, что мы восприняли за последние, скажем, полминуты, и затем благополучно забыли. То, что мы запоминаем, откладывается в долговременной памяти, для чего в мозгу синтезируется новый белок.

Но, как оказалось, дело не только в белке. Эксперименты на аплизии показали, что в процессе обучения в нервной системе изменяется число нейронных связей. 

При формировании долговременной памяти нейроны отращивают новые окончания, приобретают новые связи, усиливают старые. А если многократно вызывать у нервной системы привыкание, то нейроны, наоборот, втягивают имеющиеся окончания, а их связи становятся неактивными.

Таким образом, обучение приводит к постоянным физиологическим изменениям нервной системы. На примере с аплизией это выглядело так: в ходе эксперимента моллюск научился усиленно реагировать на прикосновения одинаковой силы, и если сначала только втягивал жабры, то теперь начал ещё и выпускать чернила. 

Это значит, что под влиянием раздражения усиливалась связь сенсорного нейрона не только с мотонейроном, отвечающим за жабры, но и с мотонейроном чернильной железы. Поскольку у аплизии была память об усиленной реакции на прикосновение, сенсорный нейрон при очередном раздражении начал давать усиленный сигнал сразу двум мотонейронам — и животное стало вести себя по-другому.

В 90-е годы были проведены эксперименты, которые зафиксировали постоянные изменения соматосенсорной коры головного мозга в результате обучения сначала у обезьян, а затем и у человека. 

В частности, было обнаружено, что у скрипачей и виолончелистов область коры, отвечающая за пальцы левой руки, которыми они зажимают струны, в два раза больше, чем в мозге немузыканта. Кроме того, у тех, кто играет на струнных с детства, эта область развита лучше, чем у тех, кто начал играть в подростковом возрасте и позже — в детстве наш мозг более пластичен. Кстати, область, отвечающая за пальцы правой руки, так не развивается, ведь они выполняют более простую работу — держат смычок.

По словам Канделя, он и его коллеги, исследуя аплизию на уровне синаптических связей, только «прокладывали путь по наружным кругам научного лабиринта». Новой задачей учёного было определить, как именно происходят эти синаптические изменения на молекулярном уровне.

К сожалению, формат этой короткой статьи не позволяет нам объяснить результаты исследования во всех подробностях. Даже схематическое описание механизма запоминания выглядит непросто:

Сильно упрощая, можно сказать, что благодаря новым экспериментам был обнаружен третий участник процесса формирования воспоминаний — модуляторный интернейрон. Он выделяет серотонин  — нейромедиатор, известный в народе как «гормон счастья» за своё успокаивающее воздействие на области мозга. Есть серотонин и у аплизии, и это именно с его помощью происходит то самое усиление синаптической связи между сенсорным и моторным нейроном, о чём мы говорили ранее.

В остальном схема на молекулярном уровне примерно такова. Окончание сенсорного нейрона вырабатывает сигнальное вещество, которое  активизирует регуляторный белок — протеинкиназу А. Этот белок создаёт условия для выброса ещё одного нейромедиатора — глутамата, оказывающего возбуждающее воздействие в нашем мозгу. Пока эта реакция активна, у нас (как и у дорогой аплизии) возникает эффект кратковременной памяти.

Когда реакция повторяется постоянно (например, постоянное раздражение у аплизии), протеинкиназы А становится очень много, она проникает в ядро сенсорного нейрона. С помощью этого активизируется последний важный элемент формирования памяти — белок CREB. Этот белок регулирует экспрессию генов и меняет структуру нервных клеток на генетическом уровне. Отсюда и происходит рост новых нейронных окончаний, что обеспечивает изменение поведения и долговременную память.

В ходе экспериментов учёные блокировали работу белка CREB, и одного этого было достаточно, чтобы помешать формированию долговременной памяти, при этом кратковременная работала как и прежде.

Многократные удары током — это важный опыт для аплизии, точно так же, как умение играть на фортепиано или спрягать французские глаголы может быть важным опытом для нас: повторение — мать учения, потому что оно необходимо для долговременной памяти.

Эрик Кандель

Конечно, подчёркивает Кандель, у этого принципа много исключений. Например, травмирующий или необычайно эмоциональный опыт позволяет обойти привычную схему и записать всю картину воспоминаний быстро. 

По секрету: это происходит потому, что в организме есть белки, которые отключают механизмы подавления экспрессии генов и позволяют проводить генетические изменения быстрее. Но об этом, пожалуй, в следующий раз.опубликовано econet.ru. Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

Автор: Артём Серебряков