Однако в процессе изучения физиологических последствий повторения и их влияния на отдельные нейроны и синапсы учёные обнаружили кое-что странное. Изменилась не только концентрация нейромедиаторов в синапсах (что привело к усилению и ослаблению существовавших связей между нейронами) - сами нейроны начали выращивать совершенно новые синаптические терминали. Иными словами, формирование долгосрочных воспоминаний приводит не только к биохимическим, но и к анатомическим изменениям. Кандел понял, что новые белки образуются в организме именно с этой целью. Белки играют крайне важную роль в проведении структурных изменений в клетках.
Анатомические изменения даже в сравнительно простых цепях мозга моллюсков можно было назвать значительными. В одном случае исследователи обнаружили, что перед консолидацией долгосрочной памяти у обычного сенсорного нейрона было около 1300 синаптических связей примерно с 25 другими нейронами. Лишь 40 процентов из этих связей были активными, то есть посылающими сигналы с помощью нейромедиаторов.
После формирования долгосрочного воспоминания количество синаптических связей выросло более чем в 2 раза (достигнув 2700), а доля активных связей возросла с 40 до 6о процентов. Новые синапсы сохранялись до тех пор, пока сохранялось воспоминание. Когда же воспоминанию было позволено угаснуть (вследствие снижения частоты повторения), количество синапсов постепенно снижалось примерно до 1500. Тот факт, что даже после забывания воспоминания количество синапсов остаётся чуть более высоким, чем было изначально, помогает понять, почему человеку проще запоминать что-то после второй попытки.
В своих мемуарах под названием «В поисках памяти», опубликованных в 2006 году, Кандел писал, что с помощью ряда новых экспериментов с аплизи- ями «мы смогли впервые увидеть, что количество синапсов в мозге человека не является фиксированным - оно изменяется в процессе обучения! Более того, долгосрочные воспоминания существуют, пока сохраняются анатомические изменения». Исследование также показало, в чём заключается основная физиологическая разница между двумя типами памяти: «Краткосрочная память приводит к изменениям в функционировании синапса, усилению или ослаблению ранее существовавших связей; долгосрочная память требует анатомических изменений». Результаты экспериментов Кандела в точности соответствовали открытиям в области нейропластичности, сделанным Майклом Мерценихом и другими. Дальнейшие эксперименты позволили понять, что биохимические и структурные изменения, связанные с консолидацией воспоминаний, происходят не только у моллюсков. Они происходят в мозге и других животных, в том числе приматов.
Кандел и его коллеги смогли раскрыть несколько секретов, связанных с памятью на клеточном уровне. Теперь же они захотели пойти глубже и изучить молекулярные процессы, происходящие внутри клеток. Как позднее вспоминал Кандел, исследователи «ступали на совершенно неизведанную территорию». Сначала они изучили молекулярные изменения, возникающие в синапсах при формировании краткосрочных воспоминаний. Они обнаружили, что этот процесс не ограничивается передачей нейромедиатора (в данном случае глутамата) от одного нейрона к другому. В процесс вовлекались и другие клетки, под названием промежуточные нейроны (интернейроны). Промежуточные нейроны производят нейромедиатор серотонин, служащий для тонкой настройки синаптической связи и модулирующий количество глутамата, выпущенного в синапс. Работая с биохимиками Джеймсом Шварцем и Полем Грингардом, Кандел открыл, что тонкая настройка возникает с помощью серии молекулярных сигналов. Серотонин, выпускаемый промежуточным нейроном, присоединяется к рецептору на мембране пресинапти- ческого нейрона - нейрона, несущего электрический импульс, что приводит к химической реакции, в результате которой нейрон производит молекулу под названием циклический АМФ25. Циклический АМФ, в свою очередь, активизирует белок под названием протеинкиназа А, каталитический фермент, заставляющий клетки выпустить ещё больше глутамата в синапс, тем самым усиливая синаптическую связь, продлевая электрическую деятельность в связанных нейронах и позволяя мозгу активировать краткосрочную память на несколько секунд или минут.
Следующая задача, стоявшая перед Канделом, заключалась в том, чтобы вычислить, сколько времени потребуется краткосрочным воспоминаниям для того, чтобы превратиться в постоянные долгосрочные воспоминания. Какова же молекулярная природа процесса консолидации? Поиски ответа на этот вопрос заставили Кандела погрузиться в мир генетики.
В 1983 году престижный и прекрасно финансируемый Медицинский институт Говарда Хьюза попросил Кандела, вместе со Шварцем и неврологом из Колумбийского университета Ричардом Акселом, возглавить группу по изучению молекулярной деятельности, работавшую в Колумбийском университете. Группе удалось добыть нейроны у личинок аплизии и использовать их для выращивания (в качестве тканевой культуры в лабораторных условиях) нейронной цепи, включавшей в себя пресинаптический нейрон, постсинаптический нейрон, а также синапс между ними. Для имитации действия модулирующих промежуточных нейронов учёные впрыснули в культуру дозу серотонина. Как и ожидалось, доза серотонина, соответствующая одному акту научения, привела к выбросу глутамата, в результате которого произошло временное усиление характеристик синапса, связанных с краткосрочным запоминанием. Впрыскивание же, независимо друг от друга, пяти доз серотонина смогло усилить существующий синапс на несколько дней, а также подстегнуло формирование новых синаптических терминалей - то есть привело к изменениям, сопутствующим формированию долгосрочных воспоминаний.
После нескольких инъекций серотонина происходит следующее: фермент протеинкиназа А вместе с другим ферментом, называемым МАР26, перемещается из внешней цитоплазмы нейрона в его ядро. Там протеинкиназа А активизирует белок под называнием CREB-1. Он, в свою очередь, активизирует деятельность набора генов, синтезирующих белки, необходимые нейрону для строительства новых синаптических терминалей. В то же самое время МАР активизирует другой белок, CREB-2, который «выключает» набор генов, подавляющих рост новых терминалей. С помощью сложного химического процесса «маркировки» клеток изменения в синапсе ограничиваются определёнными областями на поверхности нейрона и происходят в течение достаточно длительного времени. Благодаря этому сложному процессу, включающему множество химических и генетических сигналов и изменений, синапсы приобретают способность удерживать воспоминания на протяжении нескольких дней или даже лет. «Именно рост и поддержание деятельности новых синаптических терминалей, - пишет Кандел, - позволяет воспоминаниям сохраняться». Этот процесс также позволяет понять кое-что важное относительно того, каким образом благодаря пластичности мозга наш опыт постепенно позволяет сформироваться типичному поведению и личной идентичности: «Тот факт, что для формирования долгосрочного воспоминания должен включиться определённый ген, чётко показывает, что гены не просто определяют наше поведение, но и отвечают на стимуляцию со стороны внешней среды, например, на обучение».
* * *
Можно смело сказать, что умственная деятельность моллюска не представляет для человека большого интереса. Кандел и его команда занимались изучением сравнительно простых цепей, связанных с памятью, а точнее, тем, что физиологи называют «неявными» воспоминаниями - бессознательными воспоминаниями о событиях прошлого, которые автоматически вспоминаются при выполнении рефлексивного действия или повторении приобретённого прежде навыка. Когда мы раз за разом касаемся жабр моллюска, у него пробуждаются неявные воспоминания. Неявные воспоминания активируются у человека, играющего с баскетбольным мячиком или едущего на велосипеде. Как объяснял Кандел, неявные воспоминания «приходят к нам непосредственно в процессе действия, без каких-либо сознательных усилий или даже незаметно для нас».
