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

Рисунок 6. Ансамбли клеток, которые были активны вместе, укрепляют свои синаптические связи и легче активируются в будущем вместе. Такие распространенные ансамбли являются эффективным способом хранения воспоминаний и понятий, так как нервные клетки могут входить не только в один ансамбль. На Рисунке воспоминаниям о каждом брате соответствует половина клеток в каждом ансамбле. Это надежный способ хранения информации. Даже если кто-то из членов ансамбля выпадет, все равно будет возможно отличить воспоминание о троюродном брате от воспоминания о бабушке.

Брюс предложил использовать выработку бактериального энзима для отключения клеток, которые только что были активны. Для этого он и его коллеги использовали противораковые средства. Эти лекарства неспроста называют клеточным ядом. Их задача – убивать клетки. Ученые использовали молекулу, производную от противоракового препарата, которая обычно не оказывает влияния на мозг. Если она встречается с бактериальным энзимом, он отрезает от нее кусочек, и тогда препарат переходит в активную форму и убивает клетку, в которой произошло изменение. Так появилась возможность отключать ансамбль нервных клеток, которые только что были активны, и не трогать остальные.

Брюс и Явин ввели крысам препарат, а затем воззвали к их памяти о героиновой коробке. По плану должны активироваться все клетки, входившие в ансамбль «героиновая коробка». Они начнут выделять бактериальный энзим, препарат перейдет в активную форму, и клетки погибнут. А их соседки по маленькой области фронтальных долей должны остаться невредимыми. Если теория верна, другие воспоминания не пострадают.

Через несколько дней после введения препарата и активизации памяти ученые снова посадили крыс в коробку, ассоциировавшуюся с героином. Увы, мы не можем спросить крыс, помнят ли они что-нибудь. Но мы увидим, начнут ли они нажимать на педаль при активизации воспоминания. Крысы ничего не помнили[123]. Одно из первых доказательств того, что энграммы памяти состоят из рассеянных нейронных ансамблей, стало свершившимся фактом. Хебб вновь оказался прав.

Стоит с осторожностью относиться к периодически появляющимся революционным результатам исследований. Всегда есть возможность ошибки. И даже если кажется, что результаты верны, остается вопрос, действует ли этот механизм в отношении всех воспоминаний[124]. Вдруг так работают только воспоминания о наркотиках? И лишь год спустя появилось точное доказательство из независимых источников, что нейронные ансамбли действительно представляют собой универсальный код памяти.

На этот раз ученые использовали методику, во многом перевернувшую всю нейронауку последнего десятилетия[125]. Эта методика, оптогенетика, заслуживает отдельной книги. Это результат невероятной изобретательности маленькой группы ученых-новаторов. С начала 1990-х годов они возились с мыслью о том, как сделать реальностью мечту, существовавшую со времен открытия того, что мозг состоит из нервных клеток. Представьте, что у нас есть инструмент для контроля активности в отдельных клетках живого мозга, и мы могли бы нажатием одной кнопки активировать их, а нажатием другой – отключать. Тогда мы действительно могли бы узнать, что делают клетки, а не только измерять их активность и смотреть, с чем она соотносится.

Я могу понять, если все это кажется вам научной фантастикой. Но эта методика с определенными ограничениями действительно существует уже около десяти лет. И на этот раз нам помогли не бактерии. Вместо них применяют модифицированные протеины водорослей. Молекулярно-генетические технологии уже позволяют заставлять клетки производить белки, которые те обычно не синтезируют. Появилась возможность вставлять эти гены в нервные клетки. А протеины, используемые оптогенетикой, еще необычнее – они чувствительны к свету. Поначалу чувствительность к свету не играет большую роль. В мозге темно, и производство опсинов само по себе не имеет никаких последствий. Но ученые могут хирургически вживить оптическое волокно и освещать мозг лазерным светом. При свете определенного цвета протеины активируются. Один из них, в свою очередь, активирует нервные клетки, в которых он был произведен. А другой – отключает их.

Эта методика привела к революции в нейронауке. Я уверен, что стэнфордский психиатр Карл Дейссерот, в лаборатории которого была разработана эта методика, в ближайшие годы получит Нобелевскую премию. Уже получивший ее Судзуми Тонегава в 2012 году опубликовал отчет о сотрудничестве с Дейссеротом его лаборатории в Массачусетском технологическом институте. Ученые использовали оптогенетическую технологию для активизации памяти, а не для ее отключения. На этот раз речь шла о приобретенном страхе. Вместо того чтобы запоминать, что в одной из коробок можно было добыть героин, мыши узнавали, что в одной из них есть риск получить удар током. Когда эта ассоциация сформировалась, достаточно было посадить их в такую коробку, и они замирали от страха. Пока ничего нового – это еще одно ассоциативное научение. Затем ученые использовали свои молекулярно-генетические штучки и заставили клетки, активировавшиеся, когда мыши вспоминали о приобретенном страхе, вновь производить светочувствительный протеин водоросли. Для воспоминания о страхе уже не нужна была коробка – достаточно было включить лазер. Активизировался ансамбль клеток, составлявший это воспоминание, и мыши замирали от страха[126].

Наконец стало проясняться то, что было предметом споров больше ста лет. Представьте себе простенький мозг, состоящий из 302 клеток[127]. Если каждая из них хранит одно воспоминание, места хватит для бабушки и еще нескольких человек. Но если у вас больше родственников, то запомнить каждого из них будет трудно. А ведь нужно место и для других воспоминаний. Если вместо этого мозг будет использовать ансамбли, различные комбинации этих 302 клеток, он сможет хранить больше информации. А точнее, примерно в 10 617 раз больше. Как вы понимаете, отдельные клетки могут входить в множество различных комбинаций, и каждая из них уникальна. Таким образом, памяти хватит на большую семью, и при таком способе хранения информация почти не пострадает, если вы потеряете одну или несколько клеток. Худшее, что может случиться, – вы потеряете способность различать между собой двух дальних родственников. Они и так очень похожи друг на друга, поскольку в ансамблях, хранящих память о них, отличаются лишь несколько клеток. Но вы все равно сможете их узнавать. И вы без труда сможете отличить их от бабушки. Ансамбли, частично совпадающие комбинации нервных клеток, которые активируются вместе, описаны в первом законе Хебба. Когда нервные клетки активны вместе, укрепляются не только отдельные синапсы, но каждый раз, когда вы видите одного из своих родственников, активируется определенная комбинация клеток. Усиливаются все синапсы, прямо и косвенно связывающие их через другие нервные клетки. В конце концов комбинация клеток становится ансамблем, маленьким оркестром нервных клеток, которые активируются одновременно и