Эти биохимические реакции важны тем, что запускают молекулярные сигналы, которые могут передаваться по всей клетке и участвовать в длительных изменениях ее синапсов. В ходе этих реакций кальций активирует одну из киназ (так называемую кальциевую или кальмодулин-зависимую протеинкиназу), которая увеличивает синаптическую силу примерно на час. Николл впоследствии доказал, что притон кальция и активация этой киназы приводят к усилению синаптических связей за счет того, что вызывают сборку дополнительных AMPA-рецепторов и их встраивание в мембрану постсинаптической клетки.
Результаты исследований работы NMDA-рецепторов были с восторгом встречены нейробиологами, потому что показывали: эти рецепторы играют в нервной системе роль детектора совпадений. По своим каналам они пропускают в клетку кальций тогда и только тогда, когда отмечают совпадение двух нейронных событий, одного пресинаптического и одного постсинаптического. Для этого, во-первых, пресинаптический нейрон должен быть активирован и выделять глутамат, а во-вторых, AMPA-рецепторы постсинаптической клетки должны связывать глутамат и делоляризовывать клетку. Только в этом случае активируются NMDA-рецепторы, которые впускают в клетку кальций, вызывая долговременную потенциацию. Интересно, что еще в 1949 году психолог Дональд Хебб предсказал возможность обнаружения в мозгу нейронного детектора совпадений, задействованного в обучении: «Когда аксон клетки А <…> возбуждает клетку В и многократно или постоянно участвует в ее активации, в одной из этих клеток или в них обеих происходят какие-то процессы роста или метаболические изменения, и эффективность работы клетки А повышается».
Аристотель, а вслед за ним британские философы-эмпирики и многие другие мыслители, предполагал, что обучение и память каким-то образом обеспечиваются способностью к ассоциативной деятельности и формированию длительных мысленных связей между двумя идеями или раздражителями. Открытие NMDA-рецепторов и долговременной потенциации позволило нейробиологам выявить молекулярный и клеточный процесс, способный осуществлять эту ассоциативную деятельность.
21. Синапсы хранят и наши самые теплые воспоминания
Новые открытия, связанные с гиппокампом (клетки места, NMDA-рецепторы и долговременная потенциация), открывали перед нейробиологами увлекательные перспективы. Но оставалось непонятным, как карта пространства и долговременная потенциация связаны друг с другом и с работой эксплицитной памяти. Начать с того, что, хотя долговременная потенциация в гиппокампе и оказалась интереснейшим и широко распространенным явлением, это был во многом искусственный способ вызывать изменения синаптической силы. Даже Лемо и Блисс в связи с этой искусственностью задавались вопросом, «пользуются или нет интактные животные в своей естественной среде тем свойством, которое было выявлено с помощью повторяющихся синхронных импульсов». Более того, казалось маловероятным, что серии импульсов того же характера возникают и в ходе обучения. Многие ученые сомневались, что изменения синаптической силы, происходящие при долговременной потенциации, играют какую-либо роль в пространственной памяти или в формировании и поддержании карты пространства.
Я начал понимать, что идеальным способом изучения этих связей было бы использование генетических методов, подобных тем, которые применял Сеймур Бензер в исследованиях обучения у дрозофил. В восьмидесятые годы биологам удалось объединить методы селекции с методом рекомбинантной ДНК для получения генетически модифицированных мышей. Эта технология позволяла манипулировать генами, лежащими в основе долговременной потенциации, в поисках ответа на некоторые актуальные вопросы, которые меня интересовали. Состоит ли долговременная потенциация из разных фаз подобно долговременному усилению синаптических связей у аплизии? Если да, то соответствуют ли эти фазы формированию кратковременной и долговременной пространственной памяти? Если между ними есть соответствие, мы могли бы вмешаться в одну из фаз долговременной потенциации и определить, что происходит с картой пространства в гиппокампе в процессе обучения и запоминания новой окружающей среды.
Я был счастлив вернуться к работе с гиппокампом — вновь обретенным предметом давней страсти. Я следил за успехами исследований в этой области, поэтому не почувствовал, что прошло уже тридцать лет. С Пером Андерсоном, как и с Роджером Николлом, меня связывали дружеские отношения. Но главным побудительным мотивом были воспоминания о совместных экспериментах с Олденом Спенсером, поставленных, когда мы работали в Институтах здоровья. Я снова испытал восторг работы на пороге новых открытий, но на этот раз я был вооружен молекулярно-генетическими методами, об избирательности и других возможностях которых мы с Олденом не могли и мечтать.
Эти достижения молекулярной генетики стали возможными благодаря успехам селекции мышей. Эксперименты поставленные в конце XX века, показали, что разные линии лабораторных мышей отличаются не только геномами, но и поведением. У одних обнаружились исключительные способности к выполнению различных заданий, в то время как другие проявляли в тех же экспериментах исключительную бестолковость. Эти результаты показывали, что гены играют в обучении заметную роль. Мыши разных линий отличаются друг от друга также по степени пугливости, общительности и развития материнских способностей. С помощью близкородственного скрещивания и выведения линий с повышенной или пониженной пугливостью исследователям генетики поведения удалось преодолеть случайный характер естественного отбора. Так селекция стала первым шагом на пути выявления генов, ответственных за определенные формы поведения. Теперь метод рекомбинантной ДНК давал возможность не только выявлять задействованные гены, но и исследовать их роль в изменении синапсов, лежащем в основе определенных форм поведения, эмоциональных состояний или способностей к обучению.
До 1980 года молекулярная генетика мышей полагалась на классические методы так называемой прямой генетики, которыми, в частности, пользовался Бензер в экспериментах с дрозофилами. Сначала мышей подвергали воздействию вещества, которое обычно повреждает лишь один из 15 тыс. генов, содержащихся в геноме мыши. При этом повреждения происходят случайным образом, поэтому заранее не известно, какой ген окажется поврежден. Выведенным мышам дают ряд заданий, чтобы проверить, у кого из них изменение повлияло на способности. Для этого необходимо разводить мышей в течение ряда поколений, поэтому прямая генетика требует немалых затрат времени и других ресурсов, но имеет важное преимущество объективности. Этот способ отбора генов не предполагает проверки никаких гипотез, поэтому влияние субъективных факторов в нем сведено к минимуму.
Революционный метод рекомбинантной ДНК позволил биологам разработать требующие меньших затрат, в том числе времени, методы обратной генетики. Она позволяет извлекать из генома мыши определенный ген или, напротив, вводить его в геном и изучать, как это влияет на синаптические изменения и обучение. В обратной генетике больше субъективности, потому что она предполагает проверку гипотез, например задействованы ли определенный ген и кодируемый им белок в определенной форме поведения.
Обратная генетика мышей стала возможной благодаря двум методам модификации отдельных генов. Первый — трансгеноз, позволяющий вводить чужеродный ген, так называемый трансген, в ДНК яйцеклетки мыши. После оплодотворения яйцеклетки трансген становится частью генома будущего мышонка. Затем взрослых трансгенных мышей разводят, чтобы получить генетически чистую линию, у всех представителей которой экспрессируется этот трансген. Во втором методе генетической модификации мышей задействовано выключение («нокаут») генов в мышином геноме. Этого добиваются посредством введения в ДНК мыши особого фрагмента генетического материала, который делает определенный ген нефункциональным и тем самым обеспечивает отсутствие белка, кодируемого данным геном, в организме мыши.
