16–4. Молекулы, задействованные в формировании кратковременной памяти. Если воздействовать на окончание сенсорного нейрона (1), вводить в него циклический АМФ (2) или каталитическую единицу протеинкиназы А (3), это вызывает усиленное выделение нейромедиатора глутамата, что заставляет предположить, что все три вещества принимают участие в последовательности реакций, обеспечивающих кратковременную память.
Однако это еще ничего не говорило нам о том, как серотонин и циклический АМФ вызывают медленный синаптический потенциал и как этот потенциал связан с усилением выделения глутамата. В 1980 году в Париже, где я проводил серию семинаров в Коллеж де Франс, я познакомился со Стивеном Зигельбаумом. Стив был технически одаренным молодым биофизиком и специализировался на изучении свойств отдельных ионных каналов. Мы быстро нашли общий язык. Как выяснилось, судьбе было угодно, чтобы он незадолго до этого согласился перейти на работу на отделение фармакологии Колумбийского университета. Поэтому мы решили объединить усилия в Нью-Йорке и вместе исследовать биофизическую природу медленного синаптического потенциала.
Стив открыл одну из мишеней циклического АМФ и протеинкиназы А — калиевый ионный канал в мембране сенсорных нейронов, реагирующий на серотонин. Мы назвали его S-каналом, потому что он реагирует на серотонин и потому что его открыл Стив Зигельбаум. Этот канал открыт, когда нейрон находится в состоянии покоя, и принимает участие в поддержании потенциала покоя на его мембране. Стив выяснил, что канал присутствует в пресинаптических окончаниях и что можно вызывать его закрывание, либо воздействуя на клетку снаружи серотонином (первичным посредником), либо вводя внутрь клетки циклический АМФ (вторичный посредник) или протеинкиназу А. Закрывание калиевых каналов вызывает медленный синаптический потенциал, который когда-то и привлек наше внимание к циклическому АМФ.
Закрывание каналов также способствует усилению выделения глутамата. Когда эти каналы открыты, они вместе с другими калиевыми каналами принимают участие в поддержании мембранного потенциала покоя, а также в выходе калия из клетки во время реполяризации при потенциале действия. Но когда серотонин закрывает эти каналы, ионы калия выходят из клетки не так быстро, из-за чего продолжительность потенциала действия немного увеличивается за счет замедления реполяризации. Стив показал, что такое замедление потенциала действия дает кальцию больше времени на поступление в пресинаптические окончания, а кальций, как было показано Кацем в его экспериментах с гигантским синапсом кальмара, необходим для выделения глутамата. Кроме того, циклический АМФ и протеинкиназа А действуют непосредственно на аппарат, который обеспечивает слияние синаптических пузырьков с мембраной, тем самым еще больше увеличивая выделение глутамата.
К этим замечательным результатам, касающимся циклического АМФ, вскоре добавились важные результаты генетических исследований обучения у плодовых мух, ставших популярным подопытным животным за полвека с лишним до этого. В 1907 году Томас Морган, работавший в Колумбийском университете, начал использовать плодовую мушку дрозофилу в качестве модельного организма для генетических исследований — в связи с ее маленькими размерами и коротким репродуктивным циклом (двенадцать дней). Выбор оказался удачным, потому что у дрозофилы только четыре пары хромосом (у человека — двадцать три пары), благодаря чему проводить на ней генетические исследования сравнительно легко. Людям давно было очевидно, что многие физические характеристики животных (такие как форма тела, цвет глаз или скорость передвижения) наследуются. Но могут ли наследоваться психические характеристики, определяемые мозгом? Играют ли гены какую-то роль в психических явлениях, таких как память?
Первым, кто занялся изучением этого вопроса, используя современные методы, был Сеймур Бензер, сотрудник Калифорнийского технологического института. В 1967 году он начал серию блестящих экспериментов, в ходе которых дрозофил обрабатывали специальными веществами, вызывающими у них в отдельных генах случайные мутации, то есть наследственные изменения. Затем Бензер исследовал воздействие этих мутаций на обучение и память. Для изучения памяти у дрозофилы его ученики Чип Куинн и Ядин Дудай использовали классический метод выработки условного рефлекса. Они сажали мух в небольшую камеру и последовательно воздействовали на них двумя пахучими веществами. Затем в присутствии первого вещества на них действовали электрическими ударами, обучая избегать этого запаха. Потом мух помещали в другую камеру, в которой источники тех же двух запахов находились на противоположных концах. Обученные мухи избегали конца камеры, откуда исходил запах первого вещества, и устремлялись в другой, где находился источник второго запаха.
С помощью этого метода обучения Куинн и Дудай могли выявлять мух, лишенных способности запомнить, что запах первого вещества предвещает электрический удар. К 1974 году они испытали тысячи мух и выявили первого мутанта с нарушением кратковременной памяти. Бензер назвал этого мутанта dunce (тупица). В 1981 году Дункан Байерс, другой ученик Бензера, пойдя по стопам наших работ с аплизией, занялся изучением сигнального пути с участием циклического АМФ у мутантов dunce и обнаружил у них мутацию в гене, ответственном за утилизацию циклического АМФ. В результате в организме этих мутантов накапливается слишком много циклического АМФ, из-за чего, как можно предположить, их синапсы усиливаются до предела, что делает их нечувствительными к дальнейшим изменениям, и они не могут нормально функционировать. Впоследствии были выявлены и другие мутации в генах памяти. Они тоже оказались связаны с сигнальным путем с участием циклического АМФ.
Взаимодополняющие результаты, полученные в экспериментах с аплизией и дрозофилой (двумя очень непохожими подопытными животными, у которых исследовали разные формы обучения, используя разные подходы), были более чем обнадеживающими. Вместе они свидетельствовали, что механизмы, лежащие в основе простых форм имплицитной памяти, судя по всему, одинаковы у многих видов животных, в том числе у людей, причем для разных форм обучения, — в связи с тем, что эти механизмы эволюционно консервативны. Биохимия, а за ней и молекулярная биология, становилась мощными орудиями поиска общих черт биологического устройства разных организмов.
Эти открытия, сделанные на аплизии и дрозофиле, служили также дополнительным подтверждением важного биологического принципа: для создания новых адаптивных механизмов эволюции не требуется новых, специализированных молекул. Сигнальный путь с участием циклического АМФ задействован отнюдь не только в работе памяти. Как показал Сазерленд, он задействован даже не только в нейронах: и в кишечнике, и в почках, и в печени этот путь служит для обеспечения продолжительных метаболических изменений. Более того, из всех известных систем с использованием вторичных посредников система с циклическим АМФ, возможно, самая примитивная. Это важнейшая, а в некоторых случаях единственная система с использованием вторичных посредников, обнаруженная у одноклеточных организмов, таких как кишечная палочка, у которой циклический АМФ служит для сигнализации голода. Таким образом, биохимические процессы, лежащие в основе памяти, не были выработаны для выполнения именно этой функции. Наоборот, нейроны задействовали уже имеющуюся эффективную систему сигнализации, выполнявшую в других клетках иные функции, и стали использовать ее для обеспечения изменений синаптической силы, требуемых для формирования памяти.
