Одновременно с этим Крейг Бейли и его коллега Мэри Чень выяснили с помощью аплизий еще одну важную вещь насчет долговременной памяти
[154]. Они работали с целыми, а не разобранными животными и обучали их либо вообще не реагировать на прикосновение к сифону, либо, наоборот, очень серьезно его бояться. А уже потом, после вручения аплизиям красных дипломов в награду за успешное обучение, накачивали их сенсорные нейроны пероксидазой хрена, заливали эпоксидкой, резали на слои и подсчитывали количество пресинаптических выростов – участков нейрона, содержащих пузырьки с нейромедиаторами и готовых эти нейромедиаторы куда-нибудь выделить.
(“При чем тут хрен?” – спросите вы, если вам не доводилось раньше интересоваться молекулярной биологией. Сам хрен действительно ни при чем, а вот выделенный из него фермент по имени пероксидаза – важный инструмент для биологических исследований. Если просто ввести пероксидазу хрена в нейроны, их становится намного удобнее рассматривать под микроскопом. В современных лабораториях широко применяют молекулярные комплексы из пероксидазы и антител к конкретным белкам, позволяющие их выявлять и подсчитывать.)
Так вот, если вашу аплизию вы вообще ничему не обучали, то в среднем у нее в каждом сенсорном нейроне 1300 пресинаптических выростов. Если она у вас достигла просветления, перестала беспокоиться и втягивать жабры (потому что вы дотрагивались-дотрагивались до ее сифона, и ничего страшного не происходило, и ей надоело тревожиться), то пресинаптических выростов на нейроне будет около 900. Если же, наоборот, вы несколько дней били ее током и внушили ей, что жизнь опасна и тяжела, так что втягивать жабры надо при каждом шорохе, то вы насчитаете у такой аплизии в среднем 2700 пресинаптических выростов на один сенсорный нейрон.
Привет. Это долговременная память. Каждое использование синапса (в том числе и поступление на него дополнительной информации о том, что тут опасно и в другие места тела бьют током) повышает количество сигнальной молекулы цАМФ в сенсорных нейронах. Рано или поздно количество переходит в качество, запускаются молекулярные каскады, клетка инициирует процессы считывания генов, синтеза новых белков и начинает выращивать себе новые пресинаптические окончания, с тем чтобы дальше аплизия могла понадежнее связать сенсорные нейроны с моторными, то есть на много недель запомнить, что надо старательно втягивать жабры в ответ на любое прикосновение.
Все это время я старательно фокусировалась на одном-единственном синапсе, контакте между сенсорным и моторным нейроном, чтобы не пугать вас раньше времени. Но на самом деле, когда мы говорим про аплизию и про те механизмы ее обучения, которые исследовал Кандель, там обычно задействованы не два нейрона, а три.
Сенсорный нейрон воспринимает сигналы от внешнего мира. Моторный нейрон передает их мышце. Третья категория – интернейроны, которые делают все остальное. В случае с рефлексом втягивания жабр у аплизии интернейроны серьезно влияют на то, в какой степени система вообще будет изменяться под влиянием пережитого опыта. Именно интернейроны выделяют серотонин – тот, который в лаборатории просто капают из пипетки. Он служит сигналом о том, что случилось что‐то важное.
На молекулярном уровне происходит вот что
[155],
[156]: серотонин воспринимается предназначенными для него рецепторами в сенсорном нейроне, и это запускает производство сигнальной молекулы цАМФ; та, в свою очередь, действует на следующего ключевого игрока в этой цепочке – протеинкиназу А. Вообще, протеинкиназы – это большая группа ферментов, которые всегда делают в клетке важные вещи: они умеют навешивать на разные другие белки фосфатную группу (-PO4) и изменять таким образом их активность.
Когда мы говорим о кратковременной памяти, то есть о процессах, которые затрагивают только проводимость отдельно взятого синапса и ненадолго, то протеинкиназа А действует там на ионные каналы, способствует притоку в сенсорный нейрон ионов кальция и усиливает выделение им глутамата – нейромедиатора, передающего сигнал на моторный нейрон.
Когда мы говорим о долговременной памяти, то ее основное отличие в том, что протеинкиназы А накапливается много. Настолько много, что она поступает в ядро клетки и активирует там белок CREB-1. Он, в свою очередь, взаимодействует с ДНК и запускает считывание генов, кодирующих белки, нужные для последующего роста новых синапсов.
Мы и без аплизии догадывались, что повторение – мать учения. Но именно благодаря ей стало понятно почему. В нейронах просто должно накопиться достаточно цАМФ и вследствие этого достаточно протеинкиназы А, чтобы она инициировала процесс роста новых синапсов. Вероятность этого качественного перехода повышается каждый раз, когда нейроны вовлекаются в работу.
На самом деле, конечно, в клетке еще есть система сдержек и противовесов. Запомнить что-нибудь с первого раза аплизия не может не только потому, что у нее еще не активирован белок CREB-1, но и потому, что у нее, наоборот, работает белок CREB-2. Он тоже сидит в ядре, но только не стимулирует, а подавляет экспрессию генов, нужных для роста новых синапсов. Чтобы его отключить, тоже нужна протеинкиназа А (она делает это не напрямую, а с помощью посредника, который называется “MAP-киназа”). Когда у вас есть нейроны аплизии в клеточной культуре, вы можете сделать антитела к белку CREB-2, ввести их непосредственно в сенсорный нейрон и убедиться, что теперь одного-единственного стимула достаточно для того, чтобы сформировать долговременную память
[157].
Не пытайтесь повторить это дома. Если бы мы запоминали с первого раза всю информацию, с которой сталкиваемся, наша жизнь была бы довольно неудобной, потому что мы бы постоянно путались, стараясь выделить важное среди кучи хлама. Это как если бы вы сохраняли на своем рабочем столе отдельным файлом каждую фотографию, которую вы когда-либо видели в интернете, а потом пытались бы перебрать их все, чтобы найти собственное фото на паспорт, которое тоже где‐то там на рабочем столе хранится.
Значимость повторения и невозможность запомнить все сразу – это те вещи, которые могут быть легко перенесены с аплизии на млекопитающих. У нас тоже должна накопиться протеинкиназа А, чтобы запустились процессы считывания генов, синтеза белков и роста новых синапсов. Но все же между нами и аплизией, по‐видимому, есть и некоторые отличия.
