Молекулярные механизмы памяти

В 50-х годах ХХ столетия началось развитие молекулярной биологии, и многие исследователи устремились к поиску молекулярных основ памяти. Гигантские молекулы ДНК и РНК являются информационными макромолекулами и потому казалось вполне вероятным именно в них обнаружить энграммы памяти. Шведский учёный Холгер Хиден (Hyden H.) придумал уникальный метод разделения крохотных нервных клеток и окружающей их глии, чтобы затем исследовать в них содержание и свойства ДНК, РНК и белка. Он крутил кроликов на некоем подобии карусели и учил крыс карабкаться по наклонной проволоке к кормушке, а после тренировок и образования у экспериментальных животных соответствующих навыков исследовал нейроны их вестибулярных ядер. Оказалось, что свойства РНК и белка в этих ядрах под влиянием приобретаемого опыта изменяются, причём не только в нервных клетках, но и в клетках глии.

В 60-х годах ХХ века было выполнено уже немало работ, в которых доказывалось, что при самых разных формах научения в мозгу появляются новые разновидности РНК, а если их образование искусственно сдерживать, путём введения веществ, препятствующих синтезу РНК, то замедляется и процесс научения. Но, поскольку образование РНК является не конечным результатом, а только инструкцией для сборки белковых молекул, многим исследователям проблемы памяти хотелось найти в качестве носителей памяти о том или ином жизненном опыте специфические белки.

Джорджес Унгар (Ungar G.) в 1972 году опубликовал первое сообщение о такой находке. Он выпускал мышей в ярко освещённый манеж, в углу которого было тёмное отделение. Подчиняясь свойственному грызунам инстинкту, мыши убегали с освещённого манежа в темноту, но там их ждал неприятный удар электрического тока. В результате у мышей вырабатывался оперантный рефлекс избегания тёмных мест. Из их мозга был приготовлен экстракт, а из него выделен пептид - белок из 15 аминокислот, который Унгар назвал скотофобином (от греч. скотофобия - боязнь темноты), поскольку его введение интактным мышам побуждало их тоже избегать темноты. Сообщение Унгара вызвало бурные споры и жестокую критику. Позднее выяснилось, что полученный им пептид похож на некоторые гормоны стресса и, возможно, он всего лишь замедлял действия получавших его мышей, которые просто не торопились спрятаться в тёмном углу, т.е. изменения поведения было обусловлено стрессом, а не специфической памятью. Известно, что некоторые гормоны, образующиеся при стрессе, могут вызывать оцепенение, а Унгар прекращал регистрировать действия мышей уже через минуту после начала опыта. Вскоре после начавшейся полемики Унгар умер, а с его смертью прекратились и споры, и публикации о специфических белках памяти.

В том, что и ДНК, и РНК, и белки имеют отношение к процессам памяти в настоящее время не сомневается никто. Однако память связана не с синтезом каких-либо уникальных белков, специфичных для каждого её вида. Она зависит не столько от конкретных биохимических процессов, сколько от того, в каких нейронах и синапсах происходят эти процессы, где находятся такие нейроны и синапсы и как они связаны с другими клетками.

Синапсы Хебба

В 1949 году была издана книга канадского учёного Доналда Хебба (Hebb D.O.) "Организация поведения", которая в настоящее время признаётся классической всеми серьёзными исследователями мозга. В этой работе Хебб попытался объединить сложные психологические феномены (ощущения, чувства, мысли, воспоминания) с активной деятельностью мозга. Сначала он пришёл к выводу, что "восприятие зависит от возбуждения специфических клеток в какой-то точке центральной нервной системы", т.е. слуховые сигналы возбуждают один тип специфических нейронов, а, например, действие пищи на вкусовые рецепторы - другой.

Всякое возбуждение поступает в центральную нервную систему, где может некоторое время циркулировать в замкнутых цепях нейронов, что называется реверберацией (Рис. 17.6). Существование таких замкнутых цепей или "нейронных ловушек" в переключательных ядрах и в коре в 1949 году доказал нейроанатом Лоренте де Но (de No L.). Потенциалы действия возвращаются к одним и тем же нейронам, сохраняя их возбуждённое состояние в течение некоторого времени: этим, как принято считать, обеспечивается кратковременная память. Электрошок, наркоз, контузия мозга, гипотермия прекращают этот процесс, не позволяя кратковременной памяти преобразоваться в долговременную. Когда действия раздражителя часто повторяются, то одни и те же синапсы используются многократно, и благодаря этому эффективность их деятельности постепенно повышается. Повышающий эффективность синаптической передачи механизм лежит в основе долговременной памяти.

Хебб рассуждал так: "Предположим, что постоянная или повторяющаяся реверберация возбуждения (его "отзвук") вызывает в клетках долговременные изменения, которые усиливают стабильность такого процесса. Это предположение можно точно сформулировать следующим образом: " Если аксон клетки А расположен достаточно близко, чтобы возбудить клетку Б, и постоянно или многократно участвует в активации последней, то в одной или обеих клетках происходят процессы роста или обменные изменения, в результате которых усиливается активирующее действие клетки А на клетку Б. Согласно наиболее очевидному и, я полагаю, самому правдоподобному предположению о способе усиления возбуждающего действия одной клетки на другую, синаптические соединения разрастаются и увеличивают площадь контакта между пресинаптическим аксоном и постсинаптической клеткой. Разумеется, прямых доказательств правильности такого предположения нет. Однако по целому ряду соображений гипотеза о росте синапсов выглядит вполне приемлемой."

Хебб также предположил, что между разными видами специфических нейронов в центральной нервной системе могут существовать малоэффективные и даже нефункционирующие синапсы. Так, например, обычная реакция на звуковой раздражитель не связана со слюноотделением, поскольку возбуждение клеток слуховой коры не передаётся к нейронам, регулирующим пищеварительную деятельность, из-за низкой эффективности синаптической передачи между этими нервными центрами. При частом сочетании звукового сигнала с вкусовыми ощущениями малоэффективные синапсы тоже начинают функционировать, благодаря чему один лишь звуковой сигнал начинает вызывать слюноотделение. Изменения в синапсах могут быть следствием биохимической модификации или увеличения контактирующих участков между пре- и постсинаптическими нейронами (Рис. 17.7).

Приведённые Хеббом аргументы перевели понятие ассоциативного научения с чисто психологической на нейробиологическую основу и указали направление поиска нейронных основ поведения. Кроме того, эта гипотеза позволяет объяснить принципиально важный момент: два, совпавших во времени действия стимула, приведут к образованию ассоциативного научения только в том случае, если у общающихся между собой клеток существуют потенциальные синаптические связи. Именно поэтому события, связь между которыми не имеет биологического значения, не могут и ассоциироваться друг с другом.

Основные положения теории Хебба получили в последние годы экспериментальное подтверждение, хотя обнаружить необходимые для формирования долговременной памяти биохимические, физиологические и структурные изменения в синапсах для разных форм памяти очень непросто, и эту проблему пока нельзя считать окончательно решённой.