Общественность рассчитывала на большее, особенно учитывая ожидания, которые породили данные о канарейках. Люди не могли понять, каково реальное значение этого узкоспециализированного результата, а других доказательств пока не было. Но, к счастью, они не заставили себя ждать.
Как и в этом первом опыте, основная идея всех последующих экспериментов состояла в том, чтобы избирательно подавить у подопытных животных нейрогенез взрослых, по возможности не вызывая каких-либо побочных эффектов, которые тоже могли бы повлиять на их способность к обучению. Ученые предполагали, что функция новых клеток довольно тонкая. Поэтому стресс повредил бы эксперименту.
В методе Лиз Гульд использовался цитотоксин, который не давал стволовым клеткам производить новые нейроны и вызывал не так уж мало побочных эффектов. В позднейших опытах для этого применяли сфокусированное облучение, которое также встречается в лечении рака, и сложные генетические методы. Мы сами успешно использовали химиотерапевтическое средство, с помощью которого обычно лечат опухоли мозга. Пациенты переносят его так хорошо, что его можно вводить в амбулаторном режиме. Поэтому мы могли предполагать, что побочные эффекты в опытах будут минимальными.
В конце концов из всей массы исследований и широкого спектра методов выстроилась довольно сложная, но в основе своей непротиворечивая картина, которая уже далеко не ограничивается мигательным рефлексом и затмила собой даже разучивание песен у канареек.
Условный рефлекс страха
Представьте, что вы едете в лифте с группой мужчин. Они пьют пиво, они только что вернулись из леса с двухнедельного тренинга выживания и первый раз после этого собираются в душ. Вдруг раздается скрежет, и лифт застревает. Вас освобождают лишь через три часа. Понятно, что в ближайшие дни и недели вы будете избегать этого лифта, а от любого скрежета или от запаха пива и грязных футболок у вас будет учащаться пульс. Так очень быстро сформировалась связь между контекстом «этот лифт», «запах пива» и «пот» и страхом застрять. Это называется «условный рефлекс страха».
Следующий большой шаг к ответу на вопрос о функции новых нейронов был сделан с помощью опыта на основе условного рефлекса страха. Здесь мышь помещали в новую обстановку (условный лифт), где она получала хоть и не очень болезненный, но неприятный удар электрическим током – аналог застрявшего лифта. На следующий день мышь сжималась и замирала сразу, как только ее снова сажали в ту же самую клетку. Животное вновь оказывалось в условиях клетки, и этого было достаточно, чтобы воспоминание о неприятном ударе тока вызывало страх. Таким же образом лифт вызывает неприятное воспоминание о том, как вы застряли в нем с потными любителями активного отдыха. Интересно, что деятельность гиппокампа при этом обеспечивает только ассоциацию с лифтом, а не со звуком или запахом. Другие ассоциации формирует миндалевидное тело, находящееся за пределами гиппокампа.
Несложно представить условный рефлекс страха как очень простую, но вполне удачную модель переработки травматичного опыта. Здесь тоже достаточно малого, чтобы снова вызвать к жизни старые реакции. Собственно, исследователям удалось показать, что такое выучивание контекста обусловлено деятельностью гиппокампа, и для этого действительно нужны новые нервные клетки.
Прорывом здесь было конкретное указание на «контексты», которые в дальнейшем сыграли важную роль. Но в опытах был и некоторый изъян. Запоминание контекста – это определенно нечто более значимое, чем мигательный рефлекс, но контекст здесь был в основе своей отрицательным. Отсюда и близость к травматизации. Нетрудно предположить, что все то же может быть верно и для позитивной ситуации, но доказано это не было. Тем не менее с помощью условного рефлекса страха мы смогли выяснить массу подробностей о том, каким образом новые нейроны участвуют в обучении, обусловленном деятельностью гиппокампа.
Путь указывают компьютерные модели
И все же некоторые исследователи, и я в том числе, чувствовали, что по-настоящему выяснить, зачем нужны новые нервные клетки, таким образом невозможно. Мы считали, что ключом к пониманию нейрогенеза взрослых должна быть функция зубчатой извилины. Новые клетки – зернистые, они встраиваются в ее сеть. Структура связей в зубчатой извилине хорошо известна, поэтому можно было ставить очень конкретные вопросы о том, как эта сеть изменится, если добавить пару новых нейронов.
Для этого можно смоделировать зубчатую извилину на компьютере и проверить, что будет, если изменить в этой модели количество клеток. Сложность с подобными компьютерными моделями в том, что результат, конечно, очень сильно зависит от их устройства: настолько, что некоторые утверждают, будто с их помощью можно доказать все, что угодно, и они показывают лишь, в чем именно были предвзяты их создатели. Разумеется, в этом есть доля истины, но в конечном счете отсюда следует только то, что такая модель требует очень тщательного рассмотрения с учетом решений, которые она предлагает, и что лучше всего сравнить между собой несколько моделей.
Так и произошло, потому что разные группы ученых испробовали этот подход параллельно и с совершенно разными идеями.
Самые обширные исследования на эту тему провел Брэд Аймон, который работал с Фредом Гейджем. Его модель была самой сложной и очень далеко продвинула науку вперед
. Однако, как ни странно, его прогнозы оказались совсем недалеки от того, что на основании гораздо более простых моделей предположили мы с моим коллегой Лауренцем Вискоттом или канадская исследовательница Сью Беккер. В конечном итоге это сильно успокаивало: гипотеза была в достаточной степени независима от модели, на основе которой ее развивали.
Брэд Аймон видит в новых клетках возможность снабдить информацию своего рода временнóй отметкой, в результате чего они помогают соответствующим образом регистрировать вещи, связанные друг с другом по времени. Это тоже контекстуализация, в данном случае в первую очередь временнáя. И хотя в случае условного рефлекса страха исходно речь шла о пространственном обусловливании (клетка, лифт и т. д.), конечно же, важно, как именно нахождение в данном контексте связано с неприятным опытом во времени. Только так может сформироваться условный рефлекс.
Здесь напрашивалось очень интересное обобщение. Дело в том, что уже некоторое время существовала теория, согласно которой важная функция гиппокампа состоит в так называемой сепарации паттернов (pattern separation), то есть в способности воспринимать различные, но похожие между собой и близкие во времени раздражители отдельно. Это та же временнáя отметка, но в другом обличье, и здесь был сделан существенный шаг вперед.
Последовала целая череда работ, где удалось более или менее хорошо показать, что новые нервные клетки действительно способны улучшить деятельность зубчатой извилины в плане сепарации паттернов. Модели Аймона выдержали испытание экспериментом, гипотеза, полученная на компьютере, подтвердилась.
Мы с Лауренцем Вискоттом придумали значительно более простую модель сети гиппокампа
. Согласно нашему предположению, функция новых клеток должна быть настолько базовой, что она проявилась бы даже в существенно редуцированных моделях. Так оно и было. Наша модель показала, что гиппокампальная сеть с новыми нейронами, сталкиваясь с новыми условиями, делает меньше ошибок, чем в отсутствие новых клеток. Если хорошенько подумать, это не так уж далеко от идеи сепарации паттернов, но у нас на уме был несколько иной аспект: мы думали о гибкости. Новые нейроны могли бы быть решением главной проблемы сетей: как они обращаются с новой информацией? Наша модель подтвердила, что нужно совсем немного новых клеток, и сеть будет менее склонна к ошибкам, когда от нее требуется гибкая реакция.
