В поисках памяти

Кандель Эрик Ричард

В 1990 году, после того как к нам присоединились два постдока, Прамод Даш и Бенджамин Хохнер, нам удалось установить, что CREB присутствует в сенсорных нейронах аплизии и действительно необходим для долговременного усиления синаптических связей, лежащих в основе долговременной сенсибилизации. Блокируя работу CREB в ядре сенсорного нейрона в культуре, мы препятствовали долговременному, но не кратковременному усилению связей. Это был поразительный результат: блокируя единственный регуляторный белок, мы блокировали весь процесс долговременных синаптических изменений! Впоследствии наш постдок Душан Барч, творческий человек и блестящий экспериментатор, обнаружил, что простого введения в ядро сенсорного нейрона CREB, фосфорилированного протеинкиназой А, достаточно для того, чтобы включить гены, производящие долговременное усиление этих связей.

Таким образом, хотя меня давно учили, что гены нервной системы управляют поведением и безраздельно властвуют над нашей судьбой, исследования показали, что в нервной системе, как и в клетках бактерий, гены подчиняются среде. Их работой управляют события, происходящие в окружающем

мире. Внешний раздражитель, такой как удар тока в заднюю часть тела животного, вызывает активацию модуляторных интернейронов, выделяющих серотонин. Этот серотонин действует на сенсорные нейроны, повышая в них концентрацию циклического АМФ, в результате чего протеинкиназа А и MAP-киназа поступают в ядро и активируют белок CREB. Активация CREB, в свою очередь, вызывает экспрессию генов, которая меняет клетку в структурном и функциональном отношении.

В 1995 году Душан Барч обнаружил, что на самом деле в соответствии с предсказаниями, которые можно было бы сделать на основе модели Жакоба и Моно, существует две формы белка CREB: одна (CREB-1) активирует, а другая (CREB-2) подавляет экспрессию генов. Многократное действие раздражителя приводит к тому, что протеинкиназа А и MAP-киназа поступают в ядро, где протеинкиназа А активирует CREB-1, а MAP-киназа инактивирует CREB-2. Таким образом, для долговременного усиления синаптических связей требуется не только включение одних генов, но и выключение других (рис. 19–1).

19–1. Молекулярные механизмы кратковременного и долговременного привыкания.

После этих замечательных открытий, сделанных у нас в лаборатории, меня поразили две вещи. Во-первых, мы видели, что модель регуляции генов Жакоба и Моно применима к процессу формирования памяти. Во-вторых, что открытая Шеррингтоном интегративная деятельность нейронов доходит до уровня ядра. Меня изумила эта аналогия: на клеточном уровне на нейрон поступают возбуждающие и тормозные синаптические сигналы, в то время как на молекулярном один регуляторный белок CREB способствует экспрессии генов, а другой ее подавляет. Противоположное действие белков суммируется, обеспечивая работу механизма регуляции.

Более того, противоположное регуляторное действие двух форм белка CREB обеспечивает наличие определенного порога для формирования памяти, который, вероятно, гарантирует обучение только важному, полезному для жизни опыту. Многократные удары током — это важный опыт для аплизии, точно так же, как умение играть на фортепиано или спрягать французские глаголы может быть важным опытом для нас: повторение — мать учения, потому что оно необходимо для долговременной памяти. Но состояние эмоционального напряжения, например вызванного автомобильной катастрофой, в принципе может позволить обойти ограничения, обычно наложенные на долговременную память. В подобной ситуации в ядро может сразу поступить достаточное количество MAP-киназы, чтобы инактивировать все молекулы CREB-2, тем самым облегчая работу CREB-1, активируемого протеинкиназой А, и опыт запишется в долговременную память. Возможно, именно этим объясняются так называемые мнемические фотовспышки (flashbulb memories) — яркие воспоминания о вызвавших сильные эмоции событиях, которые человек может восстановить в памяти во всех подробностях (как я могу вспомнить то, что произошло между мной и Митци), как будто вся картина события мгновенно и глубоко отпечаталась в мозгу.

Необычайно хорошая память, которую демонстрируют некоторые люди, может, в свою очередь, быть связана с определяемыми генетически особенностями работы белка CREB-2, ограничивающего активность белка-репрессора, активируемого CREB-1. Хотя обычно для долговременной памяти требуются многократные повторения обучения, разделенные периодами отдыха, иногда она может возникать и после однократного события, не связанного с эмоциональным напряжением. Способность к обучению с первого раза была особенно хорошо развита у знаменитого российского мнемониста Соломона Вениаминовича Шерешевского, который, казалось, никогда, даже после десяти с лишним лет, не забывал ничего, что запомнил с первого раза. Большинство мнемонистов обладает более узкими способностями: они могут очень хорошо запоминать только какие-то определенные разновидности опыта. Некоторые люди обладают поразительной памятью на зрительные образы, партитуры, шахматные партии, стихи или лица. Некоторые знатоки Талмуда из Польши могут воспроизвести в зрительной памяти каждое слово на каждой странице двенадцатитомного Вавилонского Талмуда, как будто эта страница (одна из нескольких тысяч) находится у них перед глазами.

Для возрастной потери памяти (доброкачественной старческой забывчивости), напротив, характерна пониженная способность к консолидации долговременных воспоминаний. Этот возрастной дефект может быть связан не только с ослаблением способности активировать CREB-1, но и с недостаточной силой сигналов для снятия тормозящего действия CREB-2 на консолидацию памяти.

Впоследствии было доказано, что обеспечиваемый CREB-белками перевод кратковременной памяти в долговременную работает одинаково у нескольких разных видов животных, что свидетельствует об эволюционной консервативности этого механизма. В 1993 году Тим Талли, специалист по генетике поведения из лаборатории в Колд-Спринг-Харбор на Лонг-Айленде в штате Нью-Йорк, разработал изящный метод изучения долговременной памяти, которая обеспечивает формирование приобретенного страха у мух. В 1995 году с Талли стал сотрудничать специалист по молекулярной генетике Джерри Инь, и вместе они установили, что для долговременной

памяти дрозофилы необходимы CREB-белки. Как и у аплизии, CREB-активаторы и CREB-репрессоры играют в этом процессе ключевую роль. CREB-репрессор блокирует преобразование кратковременной памяти в долговременную. Что еще поразительнее, у специально выведенных мух-мутантов, производивших CREB-активатор в избыточном количестве, наблюдались аналоги мнемических фотовспышек. После нескольких повторов процедуры обучения, в ходе которой определенный запах сопровождался электрическим ударом, у нормальных мух вырабатывалась только кратковременная память, вызывающая страх перед этим запахом, а у мух-мутантов такое же количество повторов обеспечивало формирование долговременной памяти. Со временем выяснилось, что тот же механизм, обеспечиваемый CREB-белками, играет важную роль во многих формах имплицитной памяти у множества других видов, от пчел до мышей и людей.

Таким образом, совмещая анализ поведения вначале с клеточной нейробиологией, а затем с молекулярной биологией, мы смогли общими усилиями поучаствовать в закладке фундамента молекулярной биологии элементарных психических процессов.

Тот факт, что механизм преобразования кратковременной памяти в долговременную при обучении несложным реакциям оказался одинаковым у множества простых животных, обнадеживал нас и подтверждал убеждение, что базовые механизмы работы памяти эволюционно консервативны. Но с ним был связан непростой вопрос из области клеточной биологии нейронов. У одного сенсорного нейрона около 1200 синаптических окончаний, связывающих его примерно с 25 клетками-мишенями: мотонейронами жабр, мотонейронами сифона, мотонейронами чернильной железы и возбуждающими и тормозными интернейронами. Мы установили, что кратковременные изменения происходят лишь в некоторых из этих синапсов и не происходят в других. Это было вполне логично, потому что однократный удар током в заднюю часть тела или однократное введение серотонина вызывает локальное повышение концентрации циклического АМФ, затрагивающее только определенный набор синапсов. Но долговременные синаптические изменения требуют транскрипции генов, которая происходит в ядре и приводит к синтезу новых белков. Можно было ожидать, что эти белки будут поступать во все синаптические окончания нейрона. Тем самым, если только какой-то особый клеточный механизм не ограничивает эффект изменений некоторыми определенными синапсами, долговременное усиление должно происходить во всех синаптических окончаниях нейрона. Если бы это было так, каждое долговременное изменение закреплялось бы во всех синапсах участвующих этом процессе нейронов. Возникает вопрос, как обеспечивается локализация механизмов долговременного обучения и памяти в определенных синапсах.

Мы с Гелетом немало размышляли над этим вопросом и в 1986 году в своей обзорной статье в Nature предложили схему, которая стала известна под названием синаптической маркировки. Мы предположили, что мимолетные изменения в определенном синапсе, обеспечивающие кратковременную память, каким-то образом маркируют его, и эта маркировка позволяет распознавать и задерживать белки в районе данного синапса.

Вопрос о том, как клетка направляет белки к определенным синапсам, как нельзя лучше подходил для Келси Мартин — необычайно одаренной специалистки по клеточной биологии, получившей двойную степень доктора медицины и доктора философии в Йельском университете. После окончания Гарвардского колледжа Келси и ее муж работали в Африке по программе Корпуса мира [29] . Когда они начали исследования в Колумбийском университете, у них уже был сын Бен. В период работы Келси в нашей лаборатории у них родилась дочь Майя. Присутствие Келси придавало жизни нашей лаборатории особый дух — не только потому, что она с редким мастерством занималась наукой самого высокого уровня, но и потому, что у всех нас поднималось настроение, когда она с 16:00 до 18:00 превращала наш небольшой конференц-зал — столовую в веселый детский сад для одаренных детей.

29

Корпус мира (Peace Corps) — федеральное агентство США, посылающее добровольцев в зарубежные страны для содействия различным правительственным и неправительственным организациям в делах образования, здравоохранения и некоторых других.

Отследив поступление протеинкиназы А в ядро и обнаружив в нем CREB-белки, мы прошли по пути внутриклеточных реакций от синапса до ядра. Теперь нам предстояло пойти в обратном направлении. Нам с Келси нужно было выяснить, чем синапс сенсорного нейрона, обрабатываемый серотонином и претерпевающий долговременные структурные изменения, отличается от необработанных синапсов того же нейрона. Мы это сделали в культуре клеток с помощью полученной нами новой экспериментальной системы.

Мы выращивали отдельный сенсорный нейрон с разветвленным аксоном, образовывавшим синаптические связи с двумя разными мотонейронами. Затем мы имитировали поведенческое обучение, как и раньше, вводя в область синапсов серотонин, но при этом обрабатывая только синапсы, связывающие сенсорный нейрон с одним из двух моторных. Однократное введение серотонина, как и ожидалось, приводило к кратковременному усилению связи только в этих синапсах. Но и пятикратное введение серотонина вызывало долговременное усиление связи и отрастание новых синаптических окончаний только в тех синапсах, которые мы обрабатывали. Результат был удивителен тем, что для долговременного усиления связей и отрастания новых окончаний требуется активация генов CREB-белком, которая происходит в ядре клетки и должна, казалось бы, действовать на все ее синапсы. Когда Келси блокировала работу CREB-белка в ядре, это подавляло усиление связи и рост новых окончаний в области обрабатываемых синапсов (рис. 19–2).