Он, она и мозг. Взгляд нейробиолога на наши сходства и различия - Маркус Хейлиг

наши утонченные умственные построения тому, как на самом деле обстоят дела в природе. До настоящего момента. Во время вводного курса каждый студент узнает о предложенном Хеббом принципе того, что синапсы укрепляются во время обучения, или принципе синаптической пластичности. Большинство ученых и сегодня считают, что он лежит в основе запоминания. Представьте, что раз за разом вместе появляются два стимула. Очень скоро вы научитесь связывать, ассоциировать их друг с другом. Вспомните Павлова – еду и звонок: такое классическое обуславливание является простейшей формой ассоциативного запоминания. Нервные клетки, активировавшиеся этими двумя стимулами, активизируются одновременно. Согласно этой теории, когда одна из клеток раз за разом отправляет сигналы другой, и та тоже активируется, синаптическая связь между ними возрастает.

Это было задолго до того, как появилась техническая возможность измерить силу отдельных синапсов. Но это не помешало Хеббу утверждать, что, когда нервные клетки активированы одновременно, происходят изменения в их росте или в обмене веществ. Так или иначе, этим клеткам проще активизироваться вместе и в будущем. Таков закон Хебба в его неописуемой простоте и красоте. Жаль, что его нельзя столь же красиво зарифмовать на шведском: «Neurons that fire together wire together» – «Нейроны, активизирующиеся вместе, соединяются»[119].

Я занимаюсь наукой уже много лет, но до сих пор потрясен этим. Как человек, сидя в кабинете, без технической возможности проверить эту гипотезу, понял, как работает природа, да еще и в таких деталях? Только много лет спустя наша старая знакомая, улитка Aplysia californica, позволила Эрику Канделу из Колумбийского университета изучить ее жаберный рефлекс. Научение происходило точно так, как и предсказал Хебб[120]. Дальнейшие исследования показали, что синаптическое подкрепление такого типа, или долгосрочное потенцирование, является базовым, общим механизмом запоминания даже у млекопитающих.

Этот механизм состоит из двух компонентов, существование которых тоже было предсказано Хеббом. На ранней стадии речь идет об изменении обмена веществ в клетках. Биохимическая реакция[121] на следующий нервный импульс во время этой фазы становится сильнее, когда импульс повторяется множество раз за небольшой временной отрезок. Усиление на этой стадии является динамическим и может вернуться назад. Но если та же активность повторяется достаточно раз, клетки начинают менять свою форму. У клетки номер два вырастают новые шипики на дендритах, принимающих импульсы от клетки номер один. Аксон клетки номер один соединяется с этими отростками. Усиление становится долгосрочным, а затем и постоянным.

Принцип Хебба описывает кирпичики, из которых сложены воспоминания. Он ничего не говорит о том, насколько эти воспоминания локализированы или рассеяны. Это объясняет его менее известная теория нейронных ансамблей. И ее время наконец пришло.

Представьте, что ученые день за днем сажают крысу в коробку. Она может нажать на педаль и получить героин. Коробка выглядит и пахнет определенным образом, и крыса получает множество впечатлений. Снова включается ассоциативное запоминание: крыса быстро учится связывать эти впечатления с героином во всей их целостности, или контексте. Попав в коробку, она начинает искать педаль. Но когда она научилась добывать героин таким образом, ученые меняют правила игры. Две следующие недели они каждый день сажают крысу в другую коробку. Здесь тоже есть педаль, но при нажатии на нее крысе не достается никакого героина. За пару недель крыса учится чему-то новому: что новая коробка отличается от старой. Смысла нажимать на педаль больше нет, и она прекращает это делать. Через несколько недель ученые снова сажают крысу в старую коробку. Она бежит к педали, которая давала ей героин, и жмет на нее изо всех сил. Память о первой коробке сохранилась. Так же и люди иногда вновь начинают употреблять наркотики, случайно оказавшись не в том месте.

Как человек, сидя в кабинете, без технической возможности проверить эту гипотезу, понял, как работает природа, да еще и в таких деталях?

Можно отключить полученный крысой навык нажимать на педаль, если нанести ей несколько повреждений в небольшой части передней доли мозга. Но сложно сказать, что это означает. Повреждения уничтожают память? Возможно. Но в этой области находятся сотни тысяч клеток. Было бы странно, если бы крыса использовала их только чтобы научиться тому, чего даже нет в ее естественной среде обитания. Разумно предположить, что у этой области должны быть и другие функции. Или же кажущаяся потеря памяти о героиновой коробке является лишь неспецифическим последствием травмы мозга? Этого тоже нельзя исключать. И тогда это наблюдение становится уже не таким интересным.

Но можно взглянуть на это и по-другому. Может быть, лишь несколько клеток в поврежденной области, и притом в уникальной комбинации, составляют след памяти, энграмму, героиновой коробки? И тогда другие накладывающиеся комбинации в этой области могут отвечать за другие воспоминания. Некоторые клетки могли бы даже участвовать в нескольких кодовых комбинациях. На Рисунке 6 вы увидите, как это может работать.

Энграмма – «след памяти».

Ансамбль – пересекающиеся комбинации нервных клеток, которые вместе активизируются и образуют в мозге впечатления, мысли и чувства.

Чтобы разобраться в этом, нужно посадить крысу в героиновую коробку, вынуть из нее мозг и посмотреть на него через микроскоп. Можно окрасить клетки, которые недавно были активны. Их будет видно, и можно будет посчитать. Когда ученые таким образом освежили память крысы о героиновой коробке, а затем препарировали мозг для исследования под микроскопом, они увидели, что активность примерно в 5 % клеток этой маленькой области передних долей мозга. Возможно ли, что эти клетки, разбросанные среди соседок, занимающихся совершенно другими вещами, вместе составляли энграмму? Мы не знаем этого до сих пор. Это выглядело так, будто существует корреляция между активностью этих клеток и тем, что помнила крыса[122].

Чтобы доказать наличие причинно-следственной связи, потребовался эксперимент, долгое время считавшийся невозможным. Нужно было пометить эти клетки в живом, работающем мозге именно в момент активизации воспоминания. И вместо того чтобы убивать крысу и смотреть в микроскоп, ученым нужно было лишь убрать активные клетки и не задеть соседние. И тогда через несколько дней можно было снова спросить крысу, помнит ли она. Если теория верна, она ничего не вспомнит.

Шесть лет назад такой эксперимент провели ученые Брюс Хоуп и Явин Шахам из американского Национального института здоровья (National Institute of Health, NIH). Они использовали генетически модифицированных крыс, в ДНК которых встроили дополнительный ген, который заставлял нервные клетки крысы выделять необычный энзим каждый раз, когда эти клетки активировалась. Энзимы – это химические ножницы. Их задача – разрезать другие молекулы и таким образом их изменять. Но этот