Печатается по изданию: Роуз С. Устройство памяти. От молекул к сознанию. Пер. с англ. М.: Мир, 1995. С. 183-234
Есть небезобидная склонность, в которой нередко повинны и нейробиологи: часто говорят о некой эволюционной лестнице или шкале сложности, вдоль которой можно разместить все ныне живущие на Земле организмы - от самых "примитивных" до самых "высокоразвитых". Еще более крайняя форма такого мышления предполагает действие в эволюционном процессе какого-то рода направляющей силы, сделавшей человека вершиной прогрессивного развития. В основе подобных идей, которые берут начало в представлениях о месте человечества в природе, сложившихся задолго до Дарвина и появления современной биологии, лежит глубокое непонимание эволюции. Поэтому дальнейшему обсуждению придется предпослать краткую вступительную лекцию. Все современные организмы произошли от примитивных форм жизни, появившихся на Земле довольно скоро после рождения самой планеты, вероятно около четырех миллиардов лет назад. Под эволюцией (это слою буквально переводится как "развертывание" или "развитие") биологи понимают процесс постепенного изменения форм организмов в ряду поколений. "Форма" здесь означает все присущее организму - от биохимических и структурных особенностей до поведения. Изменения формы происходят на самых разных уровнях, от молекулярного до популяционного, и сохраняются благодаря наследственной передаче. Когда изменение становится настолько большим, что уже препятствует успешному скрещиванию новой формы со старой, можно говорить о возникновении нового вида.
Самый общепризнанный механизм эволюционного изменения - это современная версия дарвиновского естественного отбора, основанная на следующих простых посылках: а) организмы порождают себе подобных, хотя и с небольшими, главным образом случайными, вариациями; б) все организмы дают больше потомков, чем может дожить до зрелого возраста и в свою очередь приступить к размножению; в) выжившее и размножающееся потомство представлено особями, лучше приспособленными к окружающим условиям, чем погибшие особи; г) эти выжившие особи имеют больше шансов дать лучше приспособленное потомство; таким образом, новые, более удачные формы будут постепенно вытеснять менее приспособленных предшественников.
Живые организмы могут приспосабливаться к существующим условиям, но не могут прогнозировать будущее. Вероятность того, что последующие поколения будут жить в более теплом климате, не может повлиять на отбор в настоящем. Таким образом, эволюционное изменение в популяции организмов способно отражать только те изменения среды, которые уже произошли. Эволюция не обладает даром предвидения. В то же время среда никогда не бывает статичной, она постоянно меняется. Физические силы изменяют климат, вызывают образование гор и опускание суши. Живые организмы и сами влияют на собственную среду обитания, изменяя ее химический состав в результате потребления питательных веществ, дыхания и выделения продуктов жизнедеятельности; они служат факторами географических изменений, разрушая и созидая новые элементы ландшафта (эта довольно-таки очевидная концепция получила почти метафизическое истолкование в работах Джеймса Лавлока и его приверженцев под претенциозным названием гипотезы Геи). Помимо всего прочего, каждый организм составляет часть окружающей среды для других организмов, выступая в качестве полового партнера, родителя, потомка, хищника или добычи. Наконец, организмы не пассивные реципиенты внешних воздействий: они (животные в большей степени, чем растения) могут выбирать для себя условия жизни, перемещаясь из менее благоприятной среды в более благоприятную. Таким образом, в эволюции, как и в процессе индивидуального развития, связь между организмом и средой всегда двухсторонняя: среда непрерывно бросает вызов организму, и тот либо противостоит ей (успешно размножается), либо не выдерживает (вымирает). Организм и среда диалектически взаимосвязаны.
Дарвиновский отбор - это, вероятно, лишь один из возможных механизмов эволюционного изменения живых существ (об относительной роли других процессов продолжается оживленная дискуссия, но она выходит за рамки нашего обсуждения). Сейчас важно подчеркнуть, что все современные формы земной жизни, несомненно, сложились на основе сходных требований, предъявлявшихся отбором на протяжении всего геологического времени. Нельзя поэтому сказать, что один вид "более развит" или "лучше приспособлен", чем другой. Если навозный жук, гриб или человек до сих пор существуют, то это само собой означает, что они сумели сохраниться как виды. Есть много разных способов выживания и продолжения рода, и для каждого организма существуют свои критерии эволюционного "успеха". Только очень предубежденный, рассудочный взгляд на мир живого может подсказать мысль о прямой связи выживания с размерами мозга. Если исходить из общего объема биомассы, окажется, что организмов, не имеющих мозга (или даже вообще центрального нервного образования), несравненно больше, чем животных, обладающих им. Даже среди животных с высокоразвитой нервной системой жуки явно преобладают по численности над млекопитающими.
Нельзя говорить о прогрессе или целенаправленности эволюции. Примитивные одноклеточные существа - наши ранние предшественники - не обладали собственным стремлением и не побуждались высшей мистической силой к развитию, которое привело к появлению человека. Правда, существуют строгие ограничения на то, что может и что не может развиваться, связанные с физическими условиями нашей планеты и с химией углерода, составляющей молекулярную основу жизни на Земле. Но в пределах этих ограничений происходили случайные события, изменялись отдельные организмы в определенное время и в определенных местообитаниях, и все это привело в конце концов к современным "высшим" формам жизни. Не было никакого генерального плана. Изучение ископаемых остатков дает представление о том, как складывалась эволюция. Но, как замечает один из последних комментаторов, Стивен Дж. Гоулд, если бы можно было вернуть колесо эволюции обратно к моменту зарождения жизни на Земле, а потом заново раскрутить его, результат скорее всего был бы совсем иным: не возник бы, вероятно, ни человек, ни даже мозг. Изучение эволюции - это изучение истории, а не разработка некой математической программы продвижения от простого к сложному и не разгадка внутреннего стремления к эволюционному совершенствованию в духе Тейяра де Шардена. В этой исторической последовательности некоторые организмы, например человек, появились совсем недавно, а их предки, судя по ископаемым остаткам, очень быстро претерпели коренные изменения. Другие формы жизни на Земле гораздо больше напоминают своих предков, живших много миллионов лет назад. Создается впечатление, что, однажды найдя способ успешно выживать и размножаться в относительно стабильной среде, они в дальнейшем не нуждались в существенном изменении образа жизни. Поэтому, изучая их биологию и поведение, можно с достаточной долей уверенности заключать о том, как жили их (а значит, и наши) давние предки.
Возвращаясь далеко назад, к истокам эволюции, мы видим, что все современные организмы имели общего предка или группу предков. На пути, который привел к появлению человека, находились существа, жившие три (или более) миллиона лет назад и бывшие также предками современных человекообразных обезьян. Еще раньше существовали предки всех современных млекопитающих, а до них - предки всех ныне живущих позвоночных; наконец, мы дойдем до предков всех многоклеточных организмов, и т. д. Эти отношения лучше всего представлять не в виде эволюционной лестницы или дерева, а в виде куста с многочисленными веточками. Строение мозга и поведение предков современных животных можно представить себе, только изучая их живых потомков, поскольку в ископаемых остатках не сохранились мягкие ткани, такие как мозг или нервы. Этот сравнительно-психологический метод позволяет тем не менее прийти к некоторым выводам об эволюции нервной системы, мозга, поведения и, наконец, памяти.
Адаптивное поведение как обязательное условие выживания свойственно всем организмам, однако многие процветающие формы жизни прекрасно обходятся без научения и вспоминания, даже без мозга. Возьмем подсолнечник, соцветие которого всегда обращено к источнику света, т. е. энергии. По мере роста подсолнух не учится на опыте, как лучше поворачиваться, и он не перестанет делать это, если после каждого поворота, "наказывать" его электрическим ударом. Это поведение (поворачивание соцветия), носит оно адаптивный характер или нет, дано организму от природы, зафиксировано в его генетическом коде и программе развития. Такое присущее виду поведение (обычно говорят врожденное, но я избегаю пользоваться этим термином, так как он несет дополнительную идеологическую нагрузку) гарантирует адекватный ответ на специфические раздражители без научения методом проб и ошибок, но за счет ограничения диапазона и гибкости реакций. Поведение изменяется не только у отдельной особи, но и в длинном ряду поколений как следствие эволюции. В отличие от этого приобретенные формы поведения вырабатываются на опыте, на практике; их преимущества - большая гибкость, свобода корректировки при изменениях окружающей среды и возможность учитывать наблюдаемые последствия при жизни данного индивидуума. Очень важно, однако, помнить, что приобретенные путем научения реакции не наследуются потомством. Передаются лишь степень пластичности и способность обучаться, которые в свою очередь "заданы" генетическим кодом и программой развития. Вот почему пора забыть наскучившие старые споры о врожденном и приобретенном. Чтобы познать мозг и поведение, нужно отрешиться от этого противопоставления и попытаться вместо того понять диалектическую связь между специфичностью и пластичностью.
Способ существования растений определяется их способностью выживать, используя энергию Солнца для усвоения двуокиси углерода и преобразования ее в нужные питательные вещества, в частности в сахар. Для этого надо лишь оставаться на месте с раскинутыми ветвями, осуществлять фотосинтез и стараться избегнуть поедания, чтобы успеть произвести потомство. За это приходится расплачиваться большой сложностью способов размножения, которые по самой своей сути не очень надежны, так как зависят от других организмов или природных сил (например, ветра), разносящих пыльцу и семена. Жизнь животных не столь проста. Не обладая способностью к фотосинтезу, они вынуждены использовать частично готовую пищу, либо непосредственно поедая растения, либо охотясь на животных, питающихся растениями. Для этого им приходится непрерывно передвигаться, прибегать к специализированным способам поиска корма, спасаться от опасностей и разыскивать партнеров. Таким образом, неспособность к фотосинтезу компенсируется расширением репертуара адаптивного поведения и его большей гибкостью, развитием органов чувств, позволяющих обнаруживать пищу и врагов на расстоянии, и двигательными навыками для перемещения в желаемых направлениях.
Некоторые из описанных форм поведения встречаются даже у простейших одноклеточных организмов. Еще в 80-х годах прошлого столетия в Германии В. Пфейфер провел следующий эксперимент. Он опускал тонкую капиллярную трубочку, заполненную раствором глюкозы, в каплю жидкости, содержавшей бактерии, и наблюдал, как они концентрировались у отверстия капилляра. Бактерии вели себя так, будто "знали", где находится глюкоза, и демонстрировали адаптивную реакцию. Объясняется это довольно просто: глюкоза медленно диффундировала из капилляра в окружающую жидкость, и здесь создавался градиент концентрации сахара. В мембранах бактериальных клеток имеются рецепторные молекулы - белки, строение которых позволяет им узнавать молекулы глюкозы, и крошечные бичевидные жгутики бактерий, работая синхронно, перемещают клетку "вверх" по градиенту. У мутантных форм, лишенных рецепторов, такое поведение отсутствует, что не мешает им использовать глюкозу как источник энергии, если их поместить в раствор.
Более сложные одноклеточные организмы, например парамеции, имеют выросты иного типа, называемые ресничками. Основания ресничек соединены системой тонких нитей, координирующих их биение. В интервалах между эпизодами питания (добычей им служат бактерии) парамеции находятся в непрестанном движении и часто наталкиваются на препятствия, после чего меняют направление движения, заставляя реснички работать на той или другой стороне тела. Таким образом, эти животные, перемещаясь подобно игрушечным машинкам, обходят препятствия и достигают участков, богатых пищей. Точно так же они способны уплывать из зон со слишком высокой или низкой температурой или избегать таких раздражающих веществ, как кислоты. Эти реакции поиска и избегания у существ размером не более 0,2 мм, не имеющих нервной системы, есть не что иное, как зачатки более сложных форм активного поведения.
Одноклеточные организмы должны быть автономными системами и вмещать в своем крошечном объеме все, что необходимо для их поведенческого репертуара. Зато у них нет особых трудностей со связью между отдельными частями клетки. В процессе эволюции многоклеточных организмов спектр поведения расширяется, и им приходится решать все более сложные организационные проблемы. Возникает надобность в какой-то системе быстрой внутренней сигнализации, чтобы координировать деятельность клеток в различных частях одного организма. Главным средством межклеточной связи у наиболее примитивных многоклеточных форм, по-видимому, служила химическая сигнализация.
Вещество, выделяемое одной клеткой и служащее, например, сигналом к сокращению, могло достаточно быстро диффундировать в другие клетки, заставляя их тоже сокращаться. Такие химические сигналы были возможными предшественниками нынешних гормонов. Один из самых интригующих аспектов биохимической эволюции - близкое сходство многих гормонов с веществами, которые служат в нервной системе медиаторами; оно может означать, что последние ведут свое происхождение от гормонов.
Многоклеточность делает возможной специализацию. Отдельные свойства и функции могут распределяться между различными клетками: одни клетки выполняют, например, сократительную функцию, другие специализируются на синтезе и секреции сигнальных веществ, в третьих, расположенных на поверхности тела, сосредоточены рецепторы, реагирующие на химические воздействия (подобно рецепторам глюкозы у бактерий) или даже на свет.
Система сигнализации путем диффузии различных веществ удобна для мелких организмов, но ее возможности ограниченны: диффузия на большие расстояния занимает много времени и малоэффективна, так как сигнал не может быть направлен настолько точно, чтобы достигнуть именно той клетки, для которой он предназначен. Если же, с другой стороны, сигнализирующая клетка приобретает форму, которая позволяет ей прийти в соприкосновение с клеткой-мишенью, то химический сигнал может быть непосредственно передан через "синаптическую" щель между клетками. Это обеспечивает направленность, но не решает проблему передачи сигнала с одного конца генерирующей его клетки на другой, которые теперь разделены довольно большим расстоянием.
В этом случае большое значение приобретают электрические свойства клетки. Наличие электрического заряда на наружных клеточных мембранах - всеобщая особенность живых клеток. Такой заряд, создающий мембранный потенциал, обусловлен присутствием во внутриклеточной жидкости (цитоплазме) различных растворенных солей, образующих электрически заряженные ионы - Na+, K+, Ca2+, Cl- и т.д. (например, из хлористого натрия, NaCl, образуются положительно заряженные ионы натрия, Na+, и отрицательно заряженные ионы хлора, Сl-). Однако внутриклеточная среда отличается от наружной среды более высокой концентрацией калия и более низкой концентрацией натрия. В клетках содержатся также белки, а входящие в их состав аминокислоты тоже несут электрические заряды. Таким образом, ионный состав жидкостей по обе стороны клеточной мембраны различен, и в результате на мембране создается разность потенциалов порядка 70 милливольт с отрицательным полюсом внутри.
Нервные клетки (нейроны), как и все другие, обладают таким мембранным "потенциалом покоя". Но они отличаются уникальным свойством своей мембраны, которая у них возбудима, т. е. быстро становится проницаемой для ионов натрия, находящихся во внеклеточной среде, в ответ на соответствующий сигнал - на небольшое местное изменение ионных концентраций по обе ее стороны. Поступление в клетку ионов натрия приводит к деполяризации мембраны, потенциал на которой изменяется с минус 70 милливольт до плюс 40 милливольт. Это генерирует в клеточной мембране волну электрической активности, называемую потенциалом действия…, которая за несколько миллисекунд распространяется по аксону от тела клетки до ее выходного синапса.
Потенциал действия в свою очередь служит сигналом для высвобождения в синаптическую щель нейромедиатора, вызывающего реакцию другого нейрона. Эволюция клеток, обладающих потенциалами действия и системами химической сигнализации на своих окончаниях, возможно, лежала в основе формирования нервной системы современного типа.
Примером организма с примитивной нервной системой может служить крошечная гидра, живущая в наших водоемах. Гидры прикрепляются к камням или водным растениям на дне пруда или ручья, и их щупальца совершают волнообразные движения около ротового отверстия. В случае прикосновения к нему животное, подобно актинии, сжимается в комочек. Гидры питаются мельчайшими организмами, проплывающими мимо щупалец, причем предварительно выбрасывают специальные ядовитые нити для обездвиживания добычи, которая затем проталкивается щупальцами в рот. Это сложное поведение требует механизмов для обнаружения добычи или опасности, принятия решения и соответствующей реакции - атаки или сжатия в шарообразный комок. Такими механизмами служат чувствительные, секреторные и мышечные клетки и прежде всего вся сеть поверхностных клеток, объединенная электрической сигнализацией и способная координировать поведение гидры.
Отдельные клетки этой сети несколько отличаются от нейронов более сложно организованных животных, так как функции сети лишены специфичности или направленности. Если подвергнуть раздражению любую часть тела, то от этого места во все стороны пойдет волна возбуждения, которая в конце концов охватит всю нервную сеть. Нервная система гидры напоминает такую систему телефонной связи, в которой вас рано или поздно соединят со всеми другими абонентами, какой бы номер вы ни набрали. Напротив, важнейшей чертой высокоразвитой нервной системы является специфичность, наличие определенного набора соединений, благодаря которым сигнал, возникающий в какой-либо сенсорной клетке, проходит строго определенный путь и достигает определенной эффекторной клетки: это нечто вроде "частной" линии связи, в основном изолированной от множества других нейронов нервной системы.
"Частные линии" такого типа, а значит и настоящая нервная система, появляются у организмов более сложных, чем гидра, - у планарий, или плоских червей. Положите в ручей кусочек сырого мяса, и через несколько часов он будет облеплен поедающими его мелкими, плоскими, черного цвета червячками. Это планарий. В отличие от гидры тело планарий имеет хорошо различимые головной и хвостовой концы, а поведение этих животных значительно сложнее. Важнее всего то, что у них есть специфическая система межнейронных связей, и если перерезать ведущие к мышце нервные волокна, данная мышца будет парализована. Кроме того, если у гидры примитивные нервные клетки довольно равномерно распределены по всему телу, то у планарий размещение их иное. Нейроны располагаются группами, в которых клетки связаны короткими аксонами и дендритами; каждая группа имеет хорошо заметные входные и выходные нервные тракты. Некоторые клетки группы принимают сигналы, поступающие по входным путям, другие дают начало выходным путям, а третьи (интернейроны) обеспечивают связь между первыми и вторыми. Таким образом, эти группы нейронов, называемые ганглиями, содержат все основные элементы настоящей нервной системы.
Благодаря четкому выделению головного и хвостового концов тела у планарий хорошо выражено чувство направления, перемещения вперед или назад, чего нет у гидры. Очевидно, что животному гораздо важнее иметь подробную информацию о том месте, куда оно направляется, нежели о том, которое оно покинуло. Не удивительно поэтому, что помимо рта в головном отделе у планарий сосредоточены органы чувств, в том числе светочувствительные глазные ямки. Анализ информации, поступающей от этих органов, осуществляется в группе головных ганглиев, которую можно считать прототипом мозга. С такой относительно сложной организацией нервной системы связано значительное расширение репертуара адаптивного поведения. Планарий избегают света и склонны перемещаться на затемненные участки, реагируют на прикосновение и стремятся сохранить контакт нижней поверхностью тела с твердым субстратом, находят корм и предпочитают двигаться против течения.
У планарий есть еще одна форма поведения. Если слегка прижать планарию стеклянной палочкой, она свертывается в шарик - это нормальная реакция на угрожающую ситуацию. Через несколько минут она начнет медленно и осторожно разворачиваться. Дотроньтесь до нее снова, и она опять свернется, а потом распрямится. Но если повторять прикосновение достаточно часто, реакция начнет ослабевать, пока, наконец, планария не перестанет сворачиваться, как будто она привыкает к раздражению и перестает считать его опасным. Такое явление, когда животное в конце концов перестает реагировать на повторное воздействие, знакомо всем. Одеваясь по утрам, мы хорошо чувствуем прикосновение материи к коже, но очень скоро перестаем замечать это ощущение. Это называется привыканием или габитуацией: нервная система узнает определенный комплекс раздражителей, которым в случае одевания служит давление ткани нашего платья на рецепторы кожи, а в случае планарий - прикосновение стеклянной палочки. Иными словами, раздражение игнорируется, его уже не нужно учитывать при оценке состояния окружающей среды.
Тем не менее, если планарию какое-то время не беспокоить, первоначальная реакция восстанавливается. Все это можно было бы рассматривать как утомление с последующим восстановлением нормальной чувствительности, однако дело не в этом. Если в период привыкания прикосновение стеклянной палочки совмещать с каким-либо другим стимулом, например с ярким светом, реакция сразу же полностью восстанавливается. Значит, ее временное исчезновение не было следствием "усталости", а возобновление - это активный процесс: происходит дегабитуация (снятие привыкания). Габитуация и дегабитуация, отвечающие критериям научения, которые обсуждались в главе 6, можно рассматривать как исходные, очень простые формы кратковременной памяти, как адаптивные механизмы, позволяющие воздерживаться от ненужных реакций и тем самым предотвращать утомление. Как правило, привыкание и его снятие подчинены определенным законам: чем выше частота повторного раздражения, тем сильнее выражено привыкание, а чем раздражение сильнее, тем привыкание слабее. Повторение одного и того же стимула после серии эпизодов габитуации и дегабитуации приводит в последующем к более быстрому привыканию.
У планарий известна и другая форма кратковременного научения - сенситизация, которая в известном смысле противоположна привыканию. Если привыкание - это ослабление реакции, то сенситизация - наоборот, усиление ответа на слабый специфический стимул, когда он сочетается с неприятным воздействием, например с электрическим ударом. Если через планарию пропускать слабый электрический разряд, она свернется в шарик; однако очень легкое прикосновение стеклянной палочкой или воздействие слабой струйкой воды не вызывает никакой реакции. Но если один из двух последних стимулов постоянно сочетать с электрическим ударом, планария со временем станет реагировать на эти стимулы, которых она раньше не замечала. Сенситизация - это генерализованный процесс, так как после пропускания тока повысится чувствительность не только к прикосновению или струе воды, но и к множеству других слабых раздражителей. Таким образом, сенситизация лишена специфичности - отличительного признака истинного ассоциативного научения, основанного на попарном сочетании вполне определенных стимулов. В реальной жизни сенситизация и дегабитуация представляют собой весьма близкие процессы.
Привыкание и сенситизация, которые часто объединяют под общим названием неассоциативного научения, можно рассматривать как первые шаги на пути к настоящей памяти; они свойственны всем организмам, имеющим нервную систему. Есть даже кое-какие данные о возможном наличии их и у животных, вовсе лишенных нервной системы, например у парамеций. Но "настоящая" память сохраняется значительно дольше, чем кратковременные последствия привыкания и сенситизации, и отличается большей специфичностью. Ее главный признак - способность формировать ассоциативные, т. е. специфические, связи. Вопрос о наличии у планарий таких более сложных форм научения остается спорным, о чем будет сказано в следующей главе. Тем не менее в процессе эволюции организмов, подобных планариям, появились и рудиментарные формы сложной нервной системы, и базовые блоки поведенческих реакций, из которых в дальнейшем сформировались полноценные механизмы памяти. Для того чтобы выяснить, каков объем памяти у существ с нервной системой такой степени сложности и можно ли считать их (в соответствии со строгими критериями психологов) способными к научению и, в частности, к выработке классических или оперантных условных реакций, требуется теперь лишь изобретательность исследователя, его умение подбирать биологически адекватные тесты. В целом же не может быть сомнения в способности животных с такой нервной системой обучаться и запоминать прошлый опыт.
Вероятно, объединение нейронов в ганглии представляет собой первый шаг на пути формирования мозга, но даже внешний вид крупного головного ганглия говорит о том, что мозг в том виде, как он представлен у человека и других млекопитающих, - это не единственный возможный вариант организации центральной нервной системы. Например, в нервной системе членистоногих, в том числе насекомых и ракообразных, головной ганглий, т. е. мозг, может играть важную роль, но это лишь король Джон среди своих баронов. В теле членистоногого имеется много и других ганглиев, действующих в значительной степени автономно. Вспомним хотя бы продолжающего копуляцию самца богомола, когда самка уже пожирает его, начиная с головы, или осу, чья передняя половина продолжает кормиться после отделения брюшка.
Автономия означает, что даже в отсутствие головного ганглия у насекомых могут сохраняться такие формы поведения, в которых проявляется научение. В 1960-х годах Джералд Керкут из Саутгемптонского университета провел серию экспериментов, подвешивая обезглавленного таракана над ванночкой с солевым раствором. Нормальное поведение такого "препарата" (так биологи называют испорченное ими животное; это сродни термину sacrifice, "принесение в жертву", по поводу которого я уже высказывался) состоит в том, что он опускает ноги в жидкость. Керкут устроил так, чтобы при касании раствора ногой замыкалась электрическая цепь и через тело таракана проходил ток; когда он отдергивал ногу, цепь размыкалась и раздражение прекращалось. Таракан, даже лишенный головы, в конце концов переставал опускать ноги в раствор, т. е. "научался" избегать электрического удара.
Всем животным, у которых имеется больше нескольких тысяч клеток, необходима опорная конструкция для поддержания формы тела. У позвоночных для этого служит внутренний скелет, у членистоногих жесткость достигается благодаря прочному наружному скелету, или панцирю. Это строго ограничивает размеры, до которых может вырасти насекомое или рак (вопреки изобретательности рыбоводов, селекционеров и биотехнологов, несмотря на энергичную поддержку их усилий фильмами ужасов и всякого рода сомнительными, существующими и фиктивными, компаниями по производству морских продуктов, омар величиной хотя бы с небольшую собаку так и не выведен - он бы не выдержал собственной тяжести). Конструкция опорных структур лимитирует также размеры ганглиев и мозга.
Такое ограничение, судя по всему, не влияло на эволюционный "успех" рассматриваемого типа строения тела: об этом говорит огромное число ныне живущих и процветающих видов насекомых и ракообразных; однако оно безусловно сказалось на их поведенческом репертуаре.
Это ограничение в известной мере преодолели общественные насекомые, например пчелы и муравьи, образующие колонии с высоким уровнем организации и кооперирования. Кое-кто отмечает, что такую колонию следует рассматривать как некий сверхорганизм, который приспосабливается к окружающим условиям, регулирует численность своих составных элементов, хранит информацию и обладает развитым познавательным поведением. Например, при роении пчел, когда размеры колонии чрезмерно увеличиваются, появляется новая матка, которая покидает улей, сопровождаемая частью семьи. Найдя подходящее место для поселения, эти пчелы должны изучить окружающую местность и оставить привычку возвращаться в старый улей. Они способны не только построить и держать в голове "карту" расположения ульев и источников нектара или распознавать цвета и формы, но могут также информировать других членов сообщества об ориентирах, расстояниях и направлениях с помощью знаменитого "виляющего танца". Еще до известных исследований Карла фон Фриша по ориентировке пчел и интерпретации им смысла "виляющего танца" (во 2-м-3-м десятилетиях нынешнего века) все наблюдавшие поведение этих насекомых, от баснописцев и пасечников до энтомологов, не переставали удивляться их способностям, очевидной понятливости и умению обучаться. Пчелы отнюдь не походят на жестко запрограммированных роботов.
Тем не менее набор навыков и познавательных способностей у пчел строго ограничен. В частности, они различают цвета, служащие метками корма или входа в улей, но с трудом обучаются узнавать цвета, имеющие иное назначение, например, использовать цвет как ориентир при поиске выхода из замкнутого пространства. Способности к обучению у отдельных особей в последние двадцать лет с большой изобретательностью изучал Рандольф Менцель в Берлине, и ему удалось выяснить функцию многих отделов пчелиного мозга. Несмотря ни на что, поражает тот факт, что при столь небольшом мозге, содержащем всего 950 000 нейронов (меньше тысячной доли их общего числа в сетчатке человека), пчелы узнают цвета, текстуру, множество запахов и способны приобретать двигательные навыки; в удачно задуманных опытах у них можно продемонстрировать все основные особенности, присущие условнорефлекторному, ассоциативному и неассоциативному научению, а также относительно прочную память вроде той, какую находят у млекопитающих, у которых мозг во много раз больше, чем у пчелы.
Возможно, нейробиологов не так удивляла бы способность пчел к обучению и запоминанию, если бы они послушали, что на протяжении тысячелетий рассказывали народные легенды. Но еще поразительнее тот факт, что и гораздо более скромные насекомые, не имеющие такой сложной социальной организации, как пчелы, тоже обнаруживают признаки обучаемости и памяти. На протяжении большей части нынешнего столетия излюбленным объектом генетических исследований (благодаря простоте содержания, короткому циклу размножения и возможности изучать популяции из многих тысяч особей) служат плодовые мушки Drosophila melanogaster, которые, как угольная пыль, покрывают перезревшие плоды, будто их притягивает магнитом. Под действием рентгеновских лучей и ряда химических веществ у них возникают мутации, многие из них - летальные, т. е. приводящие к гибели организма. Однако некоторые мутанты сохраняют жизнеспособность, хотя обычно их адаптация к естественным условиям жизни ухудшается. Изучение этих мутаций, затрагивающих, например, цвет глаз, жилкование крыльев, число щетинок на брюшке и множество других признаков, позволило получить важнейшие данные о механизмах наследственности и развития у этих насекомых, а в результате экстраполяции - и у других организмов. Однако лишь в конце 60-х и начале 70-х годов один из самых опытных специалистов по генетике дрозофилы Сеймур Бензер вместе со своими учениками Чипом Квином из Йельского университета и Ядином Дудаи, ныне работающим в Иерусалиме, начал изучать генетический контроль поведения у этого насекомого. Ему удалось выделить ряд мутантов с аномальным поведением и особенно с нарушениями обучаемости и памяти.
Важность таких исследований станет более понятной из содержания последующих глав. Сейчас отметим лишь то, что даже эти мушки с их крошечным мозгом из 20 000 нейронов, которых всегда считали глупыми, оказались способными при определенных условиях обучаться и вспоминать - нужно только иметь дело с теми формами поведения, которые свойственны им от природы. Подобно ночным бабочкам, они летят на свет, но при поиске плодов (это главный источник их корма) используют в основном обоняние. Поэтому первые убедительные данные о способности дрозофил к научению были получены путем тренировки на запахи. Группу мушек с помощью света заманивали в пробирку, содержавшую одно из двух тестируемых пахучих веществ. Насекомых, скапливающихся у отверстия пробирки, подвергали шоковому воздействию.
После этого им предлагали на выбор два запаха и сравнивали число мушек, избегавших того или другого запаха. В опытах этого типа, позволявших определить нечто вроде популяционного коэффициента обучаемости, примерно две трети нормальных (немутантных) мушек избегали того запаха, который у них ассоциировался с шоком, и лишь одна треть - запаха, служащего контролем. Эти и другие эксперименты не оставляют сомнения, что даже по самым строгим критериям, используемым в опытах с млекопитающими, у плодовых мушек можно выявить не просто привыкание и сенсибилизацию, а формирование классических и оперантных условных связей на основе зрительных, обонятельных и даже тактильных стимулов.
Увеличение мозга у членистоногих лимитируется, как мы видели, наружным скелетом. Возможность обойти это ограничение имеется у моллюсков, из наземных представителей которых наиболее известны слизни и улитки. В воде безраковинные моллюски могут вырастать до очень больших размеров: таковы кальмары и осьминоги. Как и у членистоногих, нервная система у моллюсков представляет собой ряд ганглиев, в основном размещенных вдоль пищеварительного тракта. Исследования, проведенные в тридцатые и сороковые годы на крупных моллюсках - кальмарах, выявили наличие у них поистине гигантских нервных волокон (аксонов). Такой аксон можно выделить, и благодаря его толщине в него нетрудно ввести электроды. Биологи любят говорить, что для изучения каждой биологической проблемы бог создал идеальный организм. Аксоны кальмаров - прекрасный тому пример, и именно они дали возможность подробно исследовать передвижения ионов и электрические процессы, связанные с возникновением и передачей нервных импульсов (потенциалов действия).
Одну из групп ученых, впервые оценивших достоинства гигантских аксонов кальмара, возглавлял Джон 3. Янг - сотрудник Университетского колледжа в Лондоне. Неизменное увлечение крупными моллюсками привело Янга от кальмаров к новому объекту - осьминогам. В смысле изучения нервной передачи осьминоги не давали больших преимуществ, но Янга привлекли относительно крупные размеры их мозга. Работая в 50-е и 60-е годы на морской биостанции в Неаполе, он начал изучать поведение осьминогов, особенно их способность к научению и вспоминанию. Осьминоги кормятся мелкими ракообразными, и Янг предпринял эксперименты, в которых им показывали большие фигуры белого или черного цвета (например, в форме креста) и одновременно давали пищу (маленького краба). В случае предъявления черного креста осьминог получал электрический удар, как только дотрагивался до краба, а при показе белой фигуры ток отключали. Оказалось, что осьминога можно обучить различать цвета и фигуры и избегать тех, с которыми связаны неприятные ощущения. Пользуясь зрением, а также чрезвычайно чувствительными щупальцами, животные отличали гладкие цилиндрические предметы от шероховатых и тяжелые от легких. Участки мозга, ответственные за хранение следов памяти, по-видимому, находились в одной из его главных долей. Но на этом дальнейший поиск пришлось прекратить. Мозг у осьминогов представляет собой массу мелких нейронов с окружающими их клетками, характер связей между которыми не вполне ясен, и их картирование потребовало бы усилий стольких исследователей, сколько их участвовало в изучении мозга млекопитающих в прошлом веке. Как ни красивы эти моллюски и как ни поучительны данные об их поведении, они не стали тем идеальным организмом, который нужен для познания памяти. Следующее поколение биологов ближе подошло к цели в поисках этого богом данного организма, использовав более примитивного моллюска.
В 40-х годах Анжелика Арванитаки, а в 50-х и 60-х Ладислав Таук начали в Париже исследования на морском брюхоногом моллюске Aptysia - гермафродитном организме, который обитает на прибрежных участках дна и кормится водорослями. Аплизия может достигать 30 см в длину и весить до двух килограммов; из нескольких видов этого рода наиболее крупным и популярным у экспериментаторов (я не говорю наилучшим) является калифорнийский (Apfysia californica). Центральная нервная система этих животных состоит из нескольких ганглиев, содержащих не более 20 000 нейронов. Четыре ганглия кольцом охватывают кишечник и связаны мощными нервными трактами с крупным абдоминальным ганглием. Для экспериментатора важное преимущество аплизии по сравнению с дрозофилой, у которой столько же нейронов, или осьминогом, у которого их гораздо больше, - очень большие размеры некоторых из этих клеток (примерно до 1 мм в диаметре) и постоянство их расположения, позволяющее легко распознавать их индивидуально у любой особи. Это означает, что у разных препаратов можно подробно исследовать "одну и ту же клетку", ее связи, влияние стимуляции или удаления, т.е. то, что невозможно сделать, работая с другими организмами, описанными в этой главе.
Обусловленные этим преимущества аплизии столь же высоко ценятся исследователями нейронов, как и возможность использовать гигантские аксоны кальмара для изучения потенциала действия, и были с самого начала очевидны для Арванитаки, Таука и их сотрудников. Однако в последние 25 лет ведущим исследователем процессов научения и памяти у аплизии стал Эрик Кэндел, который вначале работал вместе с Тауком в Париже, а потом перебрался в Нью-Йорк. Многие из полученных им результатов будут обсуждаться в главе 9. Сейчас скажу только, что во время многолетних споров, иногда весьма острых, с теми, кто занимался психологией млекопитающих, Кэндела и его коллег интересовал один вопрос: способны ли аплизии обучаться?
Сравнительно легко было показать, что этим животным свойственны привыкание и сенситизация. Много внимания уделялось изучению рефлексов, лежащих в основе втягивания органов дыхания (жабры и сифона, которые обычно выступают над поверхностью тела) в мантийную полость в ответ на прикосновение к животному. Многократное прикосновение приводило к уменьшению силы и частоты этой реакции, которое иногда сохранялось неделями. Этот эффект может быть формой привыкания, но он столь продолжителен, что были основания рассматривать его по меньшей мере как форму неассоциативного научения. Только в начале восьмидесятых годов были получены убедительные данные в пользу условнорефлекторной природы втягивания жабры и сифона у аплизий. В этих экспериментах безусловным раздражителем служило резкое воздействие на хвостовую область тела, которое сразу же приводило к энергичной реакции жабры и сифона, а условным стимулом было слабое тактильное раздражение сифона, которое обычно вызывает лишь вялое его втягивание. После повторных сочетаний двух стимулов первый из них вызывал такую же сильную реакцию, как и второй.
Конструкторская проблема обособления мозга от пищеварительной системы была решена на уровне позвоночных животных, у которых был создан внутренний скелет на основе позвоночника. В результате черепная полость могла вмещать теперь увеличенный головной ганглий (головной мозг), а нервы, идущие от него к остальным частям тела, оказались внутри позвоночного канала, образовав спинной мозг. Ганглии, не включенные в эту центральную нервную систему, потеряли прежнее значение, а степень их автономии уменьшилась. Но, несмотря на столь радикальные структурные изменения, принципы клеточной организации нервной системы с ее нейронами, синапсами и нейронными ансамблями у позвоночных остались теми же, что и у беспозвоночных. Это в основном относится и к биохимии нервной системы. Такая ситуация несколько сродни тем многообразным изменениям транспортных средств с двигателем внутреннего сгорания, которые они претерпели со времени изобретения этого двигателя в конце прошлого века. Автомобили, мотоциклы и самолеты могут вбирать в себя самые удивительные конструкторские решения, оборудоваться улучшенными моторами, ежегодно менять эффективность, стиль и отделку, но использовать прежний принцип работы двигателя с его цилиндрами и клапанами, топливо на основе нефтепродуктов и колеса для движения по грунту.
С появлением позвоночных изменились не элементы, из которых построена нервная система, и не основные пути получения и, преобразования энергии, а принцип ее организации в целом; система обладает полностью сформировавшимися механизмами научения и памяти, которые свойственны всем млекопитающим, в том числе (в наиболее развитых формах) приматам, а среди них, конечно, и человеку. Вопрос о том, сохраняется ли (несмотря на радикальные конструктивные изменения) сходство клеточных механизмов научения и памяти у беспозвоночных и позвоночных, или же они в корне различны, требует дальнейшего изучения. Его обсуждению будет посвящена часть следующей главы. Задача же данного раздела, состоявшая в том, чтобы проследить эволюцию явлений, сходных с памятью у животных (исключая человека), выполнена.
Когда в 1929 году физиолог-любитель из Швейцарии Ганс Бергер описал, как с помощью набора электродов, закрепленных на голове человека, ему удалось зарегистрировать непрерывные вспышки электрической активности в мозгу, никто сначала не принял это сообщение всерьез. Обсуждая аналогии памяти, я уже упомянул феномен "животного электричества" и его связь с нервной активностью; он был известен очень давно, по крайней мере с того времени, как в 1790-х годах Гальвани продемонстрировал в Болонье, как электрические разряды вызывают подергивание лапок лягушки. В 1875 году Кейтон, профессор физиологии из Ливерпуля, показал, что электроды, приложенные к обнаженному мозгу кроликов, регистрируют электрические импульсы. Однако Бергер выявлял импульсы, проходящие через кости черепа, поэтому их вполне можно было бы счесть артефактом, если бы в середине тридцатых годов нашего века кембриджские нейрофизиологи Эдриан и Мэттьюз не подтвердили эти наблюдения в систематических исследованиях. Непрерывная электрическая активность мозга носила характер своеобразных волн, различавшихся во время сна и бодрствования, в периоды умственного напряжения и покоя.
Одно время казалось, что тайны души заключаются в изменчивых линиях электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Нельзя ли найти в них и ключ к механизмам памяти? Быть может, воспоминания хранятся в форме непрерывно реверберирующих цепей, электрических контуров, создающихся в результате замыкания и размыкания различных синаптических соединений? Увы, недолгая популярность этой идеи не выдержала испытания: как показали исследования, долговременная память сохраняется даже после дезорганизации всей электрической активности мозга (например, при электрошоке или припадке эпилепсии) или почти полного ее прекращения, как при коме или сотрясении мозга. Поэтому, не исключая зависимости самых кратковременных фаз памяти от непрерывной электрической активности мозга (о чем в свое время будет сказано подробнее), следует подчеркнуть, что любой сколько-нибудь длительный след памяти должен быть воплощен в каком-то более стойком изменении.
Какую, однако, форму могут иметь такие следы и на каких уровнях их надо искать? Согласно концепции Хебба, изложенной в главе 6, формирование следов памяти связано с ростом или перестройкой синапсов - процессом, приводящим к построению новой системы межнейронных связей, которые могут в дальнейшем сохраняться. Эта гипотеза получила широкое признание, хотя отнюдь не остается единственной. Сколько же синапсов и нейронов может соответствовать одному простейшему следу? И что такое "простейший след"? Можно ли сказать: "одна ассоциация - один синапс"? Или в ассоциации участвует сразу много клеток и синапсов? Находятся ли эти клетки и синапсы в определенном участке мозга или разбросаны по разным областям? Не повторяется ли каждый след многократно? Споры относительно локализации отражают противоречивость данных, полученных при изучении мозга, и попыток интерпретации их на клеточном уровне. Заключены ли воспоминания постоянно в одном и том же наборе клеток, или же их сохранение - более динамичный процесс? Все эти вопросы остаются пока без ответа даже в рамках концепции Хебба, и их решение поможет выяснить, на каком уровне клеточной организации мозга представлены следы памяти.
Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо также создать экспериментальные модели для проверки различных гипотез и достаточно точные методы, которые позволили бы выявлять и измерять предполагаемые изменения. До самого последнего времени невероятной казалась сама мысль использовать микроскопическую технику, чтобы наблюдать изменения в структуре нейронов и синапсов, происходящие при научении, - хотя бы потому, что для этого надо хорошо представлять себе, в какой части мозга следует вести поиски и что именно измерять. Возможен, однако, иной подход: если научение действительно связано со структурными изменениями в синапсах, а синапсы построены из белков и набиты молекулами нейромедиаторов, то оно должно сопровождаться синтезом новых белков и медиаторов. Так не проще ли измерять процессы биосинтеза, чем пытаться непосредственно выявить структурные изменения?
Живые организмы значительно более постоянны, чем составляющие их молекулы. Ни одна молекула в нашем теле не остается неизменной дольше нескольких недель или месяцев. На протяжении этого периода даже во взрослом организме молекулы синтезируются, выполняют свою роль в жизни клетки, а потом отбрасываются за ненадобностью, разрушаются и заменяются другими более или менее идентичными молекулами. Самое удивительное в этом безостановочном круговороте то, что строение клеток и всего тела, которые состоят из этих молекул, остается неизменным, несмотря на замену отдельных компонентов. В этом смысле недостаточно даже сравнение с автомобилем, в котором так часто выбрасывают прохудившийся глушитель, дефектную свечу или часть кузова, заменяя их новыми деталями. Тело лучше сравнить с кирпичной постройкой, из которой сумасшедший каменщик непрерывно, ночью и днем вынимает один кирпич за другим и вставляет на их место новые. При этом наружный вид постройки остается прежним, хотя материал постоянно заменяется. Белковые молекулы тела тоже заменяются ("оборачиваются"), подобно кирпичам постройки, таким образом, что в среднем каждые две недели их состав обновляется наполовину. Синтез новой белковой молекулы занимает несколько минут. Образовавшаяся молекула переносится в ту часть клетки, где она нужна, и остается там на протяжении часов, недель или месяцев, пока не приходит время замены; тогда молекула покидает свое место в клетке и разрушается ферментами так же быстро, как некогда образовалась, а компоненты, из которых она построена (аминокислоты), повторно используются для синтеза других белков. В нормальных условиях скорость биосинтеза и распада белков во взрослом организме одинакова. Когда в конструкцию включается один новый кирпичик, из нее изымается в среднем один старый. Предположим, однако, что решено пристроить к вашему дому еще одну печную трубу. Для этого нужно на какое-то время увеличить скорость кладки в определенном месте строения - на крыше, не изменяя скорость выемки кирпичей; тогда их общее количество в постройке по мере наращивания трубы будет увеличиваться. После того как труба готова, скорость кладки можно опять понизить до первоначальной, уравняв ее со скоростью выемки. В результате такого кратковременного изменения режима работы у вас будет дом с трубой, который придется поддерживать так же, как до ее постройки. Именно так обстоит дело с синапсами. Если в процессе обучения они действительно возникают заново или перестраиваются, то в этот период можно ожидать ускорения белкового синтеза. И наоборот, если при запоминании требуется синтез белка для построения синапсов, то, остановив этот синтез на время обучения, можно будет блокировать образование новых следов: животное, обучавшееся выполнять определенную задачу, при попытке повторить нужные действия будет вести себя так, как будто оно не помнит, что надо делать, т. е. страдает амнезией. Таковы были представления о биохимических исследованиях памяти в начале шестидесятых годов. К счастью, тогда имелись уже простые методы для определения скорости белкового синтеза и его ингибирования (подавления). Белки образуются путем соединения в длинные цепи отдельных составляющих элементов - аминокислот, которые либо синтезируются самим организмом, либо поступают с пищей. Поэтому, измеряя скорость включения аминокислот в белки, можно судить о скорости образования последних.
Если меченную радиоактивным изотопом аминокислоту (как в эксперименте I, описанном в главе 2) давать животному с кормом или вводить путем инъекции, она будет включаться в состав белков вместе с немечеными аминокислотами, и тогда образующиеся белки будут обладать слабой радиоактивностью. Уровень радиоактивности белка пропорционален скорости его синтеза, и это позволяет измерять последнюю простыми и очень чувствительными методами. В состав белков входят двадцать различных природных аминокислот, а каждый индивидуальный белок представляет собой уникальную цепочку из нескольких сотен таких структурных единиц. Точная сборка аминокислот в такого рода цепи осуществляется при посредстве другой гигантской молекулы - рибонуклеиновой кислоты (РНК), которая в свою очередь синтезируется под прямым контролем генетического материала клетки - дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). (Именно в этом смысле, хотя и не совсем правильно, говорят, что гены "направляют" белковый синтез.) Поэтому для ускоренного образования белка может потребоваться также увеличение синтеза РНК, который можно измерить аналогичным способом, используя радиоактивный предшественник РНК.
Что касается ингибирования белкового синтеза, то почти случайно была обнаружена способность многих антибиотиков, как известно, подавляющих рост и размножение бактерий, блокировать образование микробных белков и РНК. Введение достаточных доз таких антибиотиков в мозг вызывает почти полное прекращение синтеза в нем РНК или белка на протяжении нескольких часов. Это делает принципиально возможными эксперименты двух типов. При так называемом корреляционном подходе животному вводят радиоактивный предшественник белка или РНК, а затем проводят обучение и выясняют, изменилось ли количество радиоактивного белка или РНК по сравнению с их содержанием у контрольных, необученных животных. При другом, интервентивном подходе вводят антибиотик, ингибирующий биосинтез белка или РНК, обучают животное, а потом выясняют, помнит ли оно то, чему был обучено.
В начале шестидесятых годов проводились эксперименты того и другого типа. Я уже рассказывал, какое ошеломляющее впечатление на меня, только что защитившего диссертацию, произвели опыты Хидена, в которых он регистрировал усиление биосинтеза белка и РНК в небольших участках мозга крыс, обученных балансировать на проволоке, по которой они могли добраться до корма. В последующем Хиден несколько изменил условия эксперимента. Заметив, что отдельные крысы предпочитали доставать корм либо правой, либо левой лапой, он вынуждал животных пользоваться для этой цели "неудобной" лапой, а затем оценивал изменения синтеза РНК и белка в той половине и той области мозга, где осуществлялась моторная координация "обучаемой" лапы, в сравнении с теми же процессами в области, ответственной за действия "необученной" лапы.
Примерно в то же время, в 1963 году, Уэсли Дингман и Майкл Спорн провели в Рочестерском университете (штат Нью-Йорк) первые опыты с использованием ингибиторов. Они обучали крыс плавать в заполненном водой лабиринте и вводили им ингибитор синтеза РНК. Сначала они установили, что ингибитор не влиял на способность крыс плавать вообще и не заставлял их ошибаться, если ко времени инъекции они уже умели находить верный путь. Но если ингибитор вводили с таким расчетом, чтобы синтез РНК уже прекращался во время обучения, то при последующем испытании крысы не помнили правильной дороги. За этим экспериментом быстро последовали другие, где применялись ингибиторы белкового синтеза, и все они, по сути, приводили к тому же выводу: при подавлении синтеза белка во время обучения животных или в первые часы после его завершения крысы могли освоить задачу, но в случае более позднего тестирования (скажем, на следующий день) они вели себя так, как будто совсем не обучались. По-видимому, для долговременного запоминания необходим синтез белка.
Сам я на первых порах с недоверием отнесся к этим результатам. Интенсивность белкового синтеза в мозгу выше, чем в любом другом органе. Антибиотики вводились в мозг в таких больших дозах, что могли полностью блокировать образование белка на несколько часов, однако ни один из других аспектов поведения подопытных животных, по-видимому, не изменялся: ни способность выполнять ранее освоенные задачи, ни способность видеть окружающий мир и реагировать на него, ни какие-либо иные "нормальные" действия. Единственное, чего не могли делать животные, - это запоминать что-то новое. Но ведь не весь белковый синтез в организме в отсутствие ингибитора обслуживает функцию памяти; казалось бы, его блокада должна была сказаться и на других фундаментальных аспектах поведения! Но этого не случалось: появлялись статья за статьей с описанием самых разнообразных тестов, которые предлагались таким разным животным, как крысы и рыбы, и все они приводили к одному и тому же выводу. Чтобы убедиться в его справедливости, мне в конце концов пришлось прибегнуть к последнему средству, испытанному еще Фомой Неверующим: я сам стал обучать цыплят в условиях введения им ингибиторов и получил тот же результат. Значит, все было правильно!
Существует методическая проблема, о которой здесь стоит поговорить: это проблема воспроизведения (или невозможности воспроизведения) данных, полученных другими исследователями, так как именно в этом состоит "научный метод", по крайней мере если верить стандартным учебным пособиям по методологии науки. Экспериментатор сообщает о полученных им результатах, и для их проверки другие исследователи повторяют тот же опыт в своих лабораториях. Если результаты совпадают, их можно предварительно счесть верными. Если же они расходятся, необходимо решить, кто допустил ошибку в постановке эксперимента или в его интерпретации. Это и имеют в виду, когда говорят, что научное знание - это "публичное" достояние, т.е. в принципе оно доступно для проверки и может быть подтверждено или опровергнуто кем угодно, а не является просто личным убеждением. Однако даже в так называемой "фундаментальной" или "чистой" науке лишь в редких случаях предпринимаются попытки прямой проверки публикуемых экспериментальных данных (за исключением, может быть, некоторых областей физики). Простое повторение опытов, проведенных другими, - занятие отнюдь не престижное, для такой работы очень трудно получить средства, а ведущие научные журналы редко публикуют "повторные" эксперименты, если речь не идет о каком-нибудь особо дискуссионном вопросе; их не интересуют даже факты неподтверждения результатов, поэтому сообщения об экспериментах с отрицательными результатами появляются не часто.
Если результаты, полученные одним исследователем, вызывают интерес у другого, последний обычно старается повторить эксперимент в ином варианте, т.е. воспроизвести его на своем излюбленном объекте или в более близкой ему экспериментальной ситуации. Именно так поступил я: вместо того чтобы проверять чужие данные на крысах и мышах, которых использовали мои предшественники, я решил посмотреть, что произойдет, если я подвергну такому же испытанию своих цыплят. Этот непрямой способ воспроизведения хорош тем, что сходные результаты, полученные на разных видах животных, имеют самостоятельную ценность и могут быть опубликованы. Это в равной мере относится и к отличающимся результатам, при публикации которых совершенно не обязательно сталкивать их в лоб с ранее полученными данными. Учитывая большое разнообразие явлений биологического мира, расхождения между результатами обычно приписывают использованию разных животных (например, "межвидовым или межлинейным различиям") или особенностям экспериментальных условий и не придают им особого значения. Поэтому, не встречая опровержения, противоречивые или сомнительные результаты остаются "в литературе": их никто прямо не отрицает, но в целом они игнорируются.
Посвященные, т. е. узкая группа специалистов в той или иной области, которые проводят много времени на конференциях и семинарах, обсуждая положение дел в своей науке, либо совсем не говорят об аномальных результатах, либо сплетничают по их поводу в баре после заседания. Первым сообщениям об амнестическом эффекте ингибиторов белкового синтеза не придавали значения - чаще всего по тем же самым априорным соображениям, которые были причиной моего собственного скепсиса; не без борьбы они в конце концов добились признания у этих законодателей моды.
Лишь спустя много лет после публикации результатов первых опытов с ингибиторами мне самому пришлось вплотную заняться изучением их действия. В то время меня интересовали совсем другие вопросы, и я думал, что работа с ингибиторами будет отвлекать меня. Когда я, наконец, приступил к ней в конце 80-х годов (об этом речь пойдет в главе 10), я имел в виду более специальную цель, поскольку уже к концу 60-х - началу 70-х годов широко развернулись наши исследования по импринтингу. Общий план экспериментов состоял в том, что у однодневных цыплят создавали импринтинг, вводили им радиоактивные предшественники РНК или белка и измеряли включение их в РНК и белок в различных областях мозга. Если это перечисление операций кажется вам чересчур сухим и абстрактным, я опишу их несколько подробнее.
Прежде всего, каким образом я вызываю импринтинг? В естественных условиях цыплята очень скоро (не позднее трех дней после вылупления) начинают узнавать мать и повсюду следовать за ней. Но их понятие о "матери" вначале довольно расплывчато. Сразу после вылупления они пробуют приблизиться и следовать за первым же увиденным медленно движущимся предметом, который размерами и цветом более или менее напоминает курицу. Исследователи импринтинга использовали для этой цели чучело или даже просто красный шар на вращающейся рукоятке. Пэт Бейтсон разработал стандартную процедуру обучения. Цыплят помещают во вращающееся на оси колесо вроде того, какое обычно покупают для клетки с хомяками. Колесо ставят перед вращающимся устройством, дающим проблески красного или желтого света. Проблески создают впечатление движущегося света, и помещенные в колесо цыплята пытаются следовать за ними. Спустя примерно час свет выключают, чтобы цыплята немного отдохнули, после чего проводят тестирование, давая птенцам возможность выбирать между светом, на который у них выработался импринтинг (скажем, красным) и другим, незнакомым (желтым). Разницу в частоте следования за красным и за желтым светом считают показателем силы импринтинга.
В определенное время после начала светового воздействия цыплятам вводили радиоактивный предшественник, затем продолжали тренировку и проводили испытание, после чего животных забивали. Поскольку мы не знали, в какой части мозга могут возникнуть изменения, и не очень разбирались в его анатомии (в то время мало кто знал анатомию куриного мозга), мы произвольно делили передний мозг на две части, называя их просто "крышей" и "основанием". Впоследствии, по мере того как мы получали все более точные данные о локализации изменений, подразделение мозга становилось более детальным и анатомически более осмысленным. Пэт и Габриел Хорн кодировали образцы мозговой ткани и посылали их мне для анализа. После первых же экспериментов стало ясно, что в сравнении с "контрольными" птицами, которые находились в темноте или подвергались воздействию рассеянного верхнего света, у цыплят с импринтингом на проблески в часы после тренировки усиливался биосинтез РНК в крыше мозга. Повторив опыт с предшественником белков, мы нашли, что и синтез белка усиливается. Я продолжил более детальные биохимические исследования с двумя моими первым диссертантами.
Однако в то время Пэта, Габриела и меня интересовали не столько биохимические подробности, сколько вопрос об интерпретации результатов. Хотя мы и установили, что стимуляция цыплят сопровождается усилением биосинтеза РНК и белков, но как показать, что оно было результатом именно обучения? Может быть, биосинтез усиливался просто потому, что цыплятам приходилось больше двигаться в колесе, чем их собратьям, содержавшимся в темноте или при слабом освещении? Или вспышки света просто возбуждали их или же как-то влияли на зрительную систему? Каждый из этих факторов мог быть причиной наблюдавшегося усиления синтеза РНК и белка. Не так легко придумать эксперименты для проверки этих альтернативных возможностей, и в начале 70-х годов нам понадобилось несколько лет, чтобы одну за другой опровергнуть их. К 1973 году нам, наконец, удалось убедить самих себя и, я надеюсь, всех других интересующихся этой проблемой, что биохимические изменения были в самом деле результатом обучения, а не сопутствовавших обстоятельств, таких, как моторная активность или зрительные впечатления. Например, в одном из ключевых экспериментов мы обучали более сотни цыплят, определяя показатель импринтинга, двигательную активность (т. е. характер поведения в колесе) и синтез РНК. Последний не зависел от моторной активности или от стресса (насколько о нем можно было судить, например, по частоте различных звуков, издаваемых цыплятами), но достоверно коррелировал с проявлениями импринтинга. Иными словами, чем лучше птенцы научались различать световые сигналы и адекватно реагировать на них, тем больше РНК синтезировалось в крыше переднего мозга.
Таким образом, наши работы и данные других лабораторий, полученные примерно в то же время, показали, что для образования следов памяти необходим синтез РНК и белка. Казалось, можно было ожидать быстрых успехов в области биохимии памяти. К сожалению, этого не случилось. Вместо того мы получили мешанину из случайных биохимических данных и противоречивых методических соображений, что задержало прогресс в изучении памяти более чем на десятилетие. Поскольку ошибки всегда поучительны, стоит затратить немного времени и разобраться в том, что произошло.
Присяжный философ молекулярной биологии Гюнтер Стент назвал конец пятидесятых и начало шестидесятых годов классическим периодом молекулярной биологии. В 1953 году Уотсон и Крик расшифровали структуру ДНК и показали, что в ее знаменитой двойной спирали заключены механизмы передачи генетической информации и управления белковым синтезом; в дальнейшем были подробно изучены также процессы биосинтеза белка и нуклеиновых кислот и начали выясняться способы их исключительно точного контроля на клеточном уровне. Не было, казалось, невозможного для этой новой удивительной науки. Там, где раньше биологи и биохимики искали ответы на вопросы, откуда клетка получает энергию и как использует ее, молекулярная биология устанавливала свои собственные ценности. Ее интересовала не энергия, а информация, она ориентировалась на использование методов столь же новых в то время компьютерных дисциплин. Можно было думать, что регуляция и воспроизводство клетки сводятся к контролю и воспроизведению информации. Гигантские молекулы, олицетворявшие эти новые представления, - белки, ДНК и РНК - отличались от гораздо более скучных малых молекул, с которыми раньше имели дело биохимики, тем, что они были воплощением информации: это были информационные макромолекулы. А поскольку мозг - всего лишь машина для обработки информации, вполне логично было предположить, что он выполняет эту работу, каким-то образом используя те же информационные макромолекулы.
Более того, нельзя ли само воспроизводство вида рассматривать как функцию одной из форм памяти - генетической памяти, как результат способности ДНК, передаваемой от родителей потомству, нести в своей структуре точные инструкции для будущего построения нового организма? Но если ДНК служит носителем генетической памяти, то почему бы ей (или РНК, или белку) не быть также носителем памяти мозга?
Эта основанная на игре слов логика нашла признание и в одновременно развивающейся иммунологии. Антитела представляют собой белки, синтезируемые клетками иммунной системы для инактивации "чужеродных" молекул и противодействия им, они позволяют организму сохранять "память" о незваных гостях и благодаря этому быстро нейтрализовать их при повторном вторжении. А коль скоро иммунологическую память тоже обеспечивают белки, нет ли сходства между действующими в обоих случаях механизмами? Забудьте о структуре, о сложном сплетении десяти миллиардов нейронов и триллионах синаптических связей между ними, существующих в мозгу. Может быть, сами макромолекулы и служат носителями памяти? Правда, ДНК несколько перегружена ответственностью за генетическую память, но так ли уж невероятно, что накопленные за всю жизнь воспоминания закодированы в мириадах уникальных белковых последовательностей? Влияние молекулярно-биологической риторики было (и остается) настолько сильным, что она увлекла даже тех, кто имел все основания следовать собственным курсом. Обаянию логики новых представлений поддались молекулярные биологи и иммунологи того времени (среди захваченных первой волной энтузиазма, но в конце концов удержавшихся на позициях здравой нейробиологической теории были Джералд Эделмен и Фрэнсис Крик). Это поветрие проникло и на страницы самых престижных журналов. Вот примеры, позволяющие почувствовать дух той эпохи:
Известны три типа биологической памяти: а) генетическая память, открытие и расшифровка которой составляют заслугу молекулярной биологии, б) обычная память, являющаяся функцией мозга, и в) иммунологическая память. Несмотря на видимое различие этих форм памяти, у них, вероятно, много общего, и не исключено, что все три имеют общий механизм. |
Были зачарованы даже трезво мыслящие создатели математических моделей, о чем свидетельствует Дж. С. Гриффит, который в начале пятидесятых годов участвовал в работах Уотсона и Крика по расшифровке структуры ДНК. В статье, написанной им совместно со старейшим биохимиком Генри Малером и предлагавшей теорию, которую по не совсем понятным мне причинам они назвали "ДНК-зависимой теорией памяти", имеется следующее замечание:
...Интуитивно ощущалось, что ДНК и может служить хранилищем не только генетической, но и приобретенной информации... Интересна сама возможность того, что неспособность зрелых нервных клеток делиться имеет своей целью предотвратить разрушение приобретенной информации, каким-то образом хранящейся в их ДНК. |
Идеи такого рода не потеряли своей привлекательности и поныне; голоса их приверженцев были отчетливо слышны в 70-х и 80-х годах, а в несколько более изощренной форме звучат и в наши дни:
Индивидуальные молекулы служат фундаментальными единицами принятия решений в мозгу... Функция нейронов состоит в том, чтобы обеспечивать связь этих единиц между собой… В данной статье поведение животных, в особенности научение и память, сводится к поведению белков - либо индивидуальных, либо собранных в сверхструктуры... Взаимодействие миллиардов таких молекулярных событий, осуществляемое через надлежащие связи, приводит к сложным формам научения у человека и животных. |
Экспериментальные данные, указывающие на роль биосинтеза РНК и белков в образовании следов памяти, легко вписывались в новое молекулярное мышление, однако положение особенно обострилось после того, как стали появляться сообщения о совершенно необычных опытах на планариях. Инициатором этих исследований был непредсказуемый Джеймс Мак-Коннелл из Анн-Арбора (штат Мичиган), который в серии работ, появлявшихся в шестидесятые годы сначала в обычных научных журналах, а потом в его собственном издании под экзотическим заглавием Worm-Runner Digest описывал опыты с обучением плоских червей. Животных подвергали воздействию света в сочетании с электрическим ударом, после чего разрезали на мелкие части и скармливали другим, необученным червям. По утверждению Мак-Коннелла, последние начинали вести себя так, будто помнили условные реакции, которые были свойственны съеденным ими особям, тогда как у червей, которым скармливали необученных собратьев, поведение не изменялось… Упоминания об этих опытах в течение нескольких лет мелькали в заголовках научных и общедоступных публикаций, пока не приобрели дурную славу, так как выяснилось, что у плоских червей вообще очень трудно выработать ассоциацию между световым стимулом и электрическим ударом, не говоря уже о воспроизведении последующих этапов эксперимента.
Однако к тому времени это было уже не важно, так как стали появляться сообщения об аналогичных опытах на млекопитающих. Одна из первых публикаций принадлежала ученику Мак-Коннелла Аллану Джекобсону, работавшему в Лос-Анджелесе, который в 1965 г. сообщил, что он обучал крыс подходить к кормушке при вспышке света или щелчке, после чего забивал животных, экстрагировал из их мозга РНК и вводил ее в пищеварительный тракт необученных особей; тогда последние тоже приобретали склонность подходить к кормушке при подаче соответствующего сигнала (щелчка или световой вспышки), хотя кормушка была пуста и животные не получали подкрепления. Джекобсону удалось даже "передать" таким образом навык подхода к кормушке от крыс хомячкам.
Между тем сходные исследования начали проводить на людях. Юэн Камерон, психолог из Университета Мак-Гилла, добавлял в пищевой рацион пожилых людей с расстройствами памяти большие количества РНК (обычно 100 г экстракта дрожжевой РНК, что действительно очень много). Он утверждал, что это значительно повышало способность его пациентов вспоминать события прошлого (надо думать, их собственного, а не прошлого дрожжевых клеток!). Более чем вероятно, что у обследованных Камероном людей из дома престарелых память улучшалась уже от одного сознания, что их заметили, поместили в клинику и проявляли повышенное внимание во время эксперимента.
Или, возможно, их просто плохо кормили, как это нередко бывает в домах для престарелых, и вводившаяся РНК служила полезной добавкой к рациону. При использованном способе введения РНК с пищей она, по-видимому, расщеплялась в пищеварительном тракте на свои компоненты, которые и всасывались затем в кровь. Данные Камерона вызывали сомнение отчасти и из-за отсутствия в его исследовании контрольной группы, а позднее, после его смерти, научная репутация этого автора была непоправимо подорвана, когда выяснилось, что значительная часть его экспериментальной работы долгое время секретно финансировалась ЦРУ, включая аморальные опыты по изучению поведенческих эффектов ЛСД, который тайком вводили ничего не подозревавшим испытуемым.
Утверждения об улучшении памяти под действием РНК вызвали острую полемику в научной литературе; многие лаборатории пытались воспроизвести эти результаты, но в большинстве случаев безуспешно. В том же году, когда Джекобсон опубликовал свою работу, в авторитетном журнале Science появилось сообщение за подписью двадцати трех авторов о том, что им не удалось воспроизвести его результаты… На этом все могло бы закончиться, но кто-то обратил внимание, что при использованной Джекобсоном методике экстрагирования РНК из мозга крыс наряду с нею выделялось большое количество белка и других примесей. Значит, активным материалом могла быть вовсе не РНК? К 1967 году лаборатории, занимавшиеся "переносом памяти", возобновили работу и стали вводить различные экстракты мозга, получая самые разнообразные результаты (например, какая-то группа обучала одних крыс нажимать на рычаг правой лапой, а других - левой, но только одну из этих двух форм поведения удавалось передать другим особям!).
Наиболее систематически изучал этот вопрос Джорджес Унгар из Бейлоровского университета в Хьюстоне (Техас). В своих экспериментах он использовал тот факт, что грызуны (крысы или мыши), имея возможность выбирать между освещенным и темным отделениями клетки, предпочитают находиться в темноте. Унгар помещал крыс в ящик с выходом на освещенный манеж, в одном из углов которого имелось темное отделение. При попытке забежать в него крысы получали электрический удар и в результате быстро отучались от врожденной привычки. После этого экстрагированный из их мозга материал впрыскивали мышам, которых помещали в аналогичные условия, предоставляя выбор между светом и темнотой, но без электрического воздействия. По утверждению Унгара, такие мыши отказывались заходить в темное отделение - в отличие от контрольных мышей, которым вводили материал от необученных крыс.
Вместе со своими сотрудниками Унгар предпринял попытку выделить вещество, якобы передающее информацию о "страхе перед темнотой" в чистом виде. Я уже упоминал, что механизм действия белков и РНК в такого рода экспериментах всегда оставался биохимической загадкой, поскольку все эти крупные молекулы быстро распадаются в кишечнике на составляющие компоненты - аминокислоты или нуклеотиды - еще до включения в общий обмен веществ реципиента. И действительно, активным фактором Унгара оказался не белок и не нуклеиновая кислота, а пептид (пептиды - вещества, образованные короткой цепью не более чем из 15-20 аминокислотных остатков), который можно было вводить путем инъекции, что позволяло избежать его переваривания в желудочно-кишечном тракте. Полученный пептид состоял из 15 аминокислот и был назван "скотофобином" (от греч. скотофобия - боязнь темноты). После большого шума эти данные были опубликованы в журнале Nature вместе с критическими замечаниями одного из рецензентов, химика Уолтера Стюарта - вещь по тому времени неслыханная.
Критика Стюарта касалась в основном не поведенческого аспекта опытов Унгара, а химической чистоты и состава скотофобина. Я же, как и другие нейробиологи, усматривал в результатах этих опытов еще и иные неправдоподобные вещи (даже если бы эксперимент удалось воспроизвести, а к этому многие лаборатории относятся весьма скептически). Как ничтожные количества введенного пептида могли направляться к нужным нейронам и проникать именно в них, чтобы закодировать новую информацию памяти? Почему высокоспецифические элементы памяти и поведения у разных особей или видов животных должны кодироваться одним и тем же пептидом? И если пептиды действительно кодируют память, не должно ли их быть в мозгу гораздо больше, чем удалось обнаружить? Если бы на самом деле существовали "пептиды памяти" и концентрация каждого из них была такой же, как концентрация скотофобина, то для кодирования воспоминаний на протяжении человеческой жизни их содержание в мозгу достигало бы, наверное, сотни килограммов, что намного больше среднего веса нашего тела.
Однако наиболее серьезные сомнения вызывало другое обстоятельство. Действительно ли поведение мышей после инъекции "скотофобина" было идентично результату научения? Позвольте пояснить это. В экспериментах Унгара мышей выпускали на освещенный манеж и наблюдали за их поведением. При этом отмечали время, которое требовалось животным, чтобы зайти в темное отделение, и если их не оказывалось там к заранее установленному сроку, скажем через минуту, опыт прекращали. Нужно было сравнивать время, затраченное мышами, получавшими материал от обученных и от необученных крыс. Первые отличались от вторых тем, что получали электрический удар, т. е. подвергались стрессорному (болевому) воздействию при попытке проникнуть в темный ящик. У мышей и крыс реакция на стресс обычно проявляется в оцепенении - животное застывает в неподвижности. Предположим теперь, что в результате стресса, связанного с электрическим ударом, образуется какой-то гормон, например пептидный, который вызывает оцепенение. В мозгу обученных (т. е. подвергавшихся "наказанию") крыс его концентрация должна быть выше, чем у необученных животных, и при введении мышам он в свою очередь должен вызывать оцепенение. В опытах Унгара это поведение регистрировалось бы как задержка перехода в темное отделение и могло быть простым следствием относительно малой подвижности мышей-реципиентов. Его эксперименты были построены таким образом, что эту пониженную активность можно было принять за усвоенную под воздействием скотофобина специфическую реакцию. На самом же деле если что-то и "передавалось" мышам, то это было не специфическое приобретенное поведение, а общая эмоциональная реакция на стресс, что совсем не одно и то же.
Вскоре после начала этой полемики Унгар умер, что стало поводом для не совсем этичного предложения поставить заключительный эксперимент, введя экстрагированный из мозга ученого материал его критикам, т. е. провести испытание на людях, которое, как я подозреваю, сам Унгар полностью бы одобрил! Как бы то ни было, с его смертью из научной литературы исчезли упоминания о скотофобине и о самих экспериментах по переносу следов памяти. (Среди тех, кто дольше всего участвовал в работах по передаче памяти, следует упомянуть венгерского энзимолога Фридриха, чьи взгляды на ее молекулярную основу я цитировал выше.)
Я не хочу сказать, что все эти исследования были в методическом отношении столь же несостоятельными, как описанные здесь, хотя подозреваю, что во многих случаях дело обстояло именно так. Множество необъясненных и нерассмотренных данных разбросано по страницам научных журналов за первую половину семидесятых годов, но автор не знает их и не обсуждает, так как исследовательскую парадигму передачи памяти теперь уже не принимают всерьез; она пала еще одной жертвой научной моды, и на этот раз - в отличие от срезов Мак-Илвейна - вполне заслуженно. Поэтому никто не пытается искать объяснения по видимости аномальным данным. Большинство из нас удовлетворяется мыслью, что они могли быть результатом недостаточной статистической оценки, неправильного планирования экспериментов, излишней увлеченности при интерпретации неоднозначных результатов или (как в опытах Унгера) ошибочного истолкования биохимических и фармакологических последствий стресса либо других, скорее всего неспецифических аспектов поведения. Может быть есть и еще что-то, не соответствующее нашим современным моделям? Но сейчас никто из нас не хочет тратить время на проверку всех этих возможностей.
Неспециалистов, а также и лжеученых нередко беспокоит такое явное нежелание ученых уделять время анализу разного рода парадоксальных наблюдений, которые не укладываются в принятые экспериментальные парадигмы: кольцевых фигур на хлебных полях, экстрасенсорного восприятия, НЛО, ароматерапии и прочего. Для таких критиков это обстоятельство служит лишним подтверждением узости ортодоксальной науки, а довольно откровенный отказ большинства ученых принимать всерьез подобные явления, раздраженно отмахиваясь от них, еще больше усиливают нападки оппонентов. Однако последние, очевидно, не в состоянии понять, как на самом деле трудны научные исследования, как сложно проверить даже очень простые на вид гипотезы и предположения и с каким количеством парадоксов и загадок мы сталкиваемся в повседневной научной работе; а ведь они не менее интересны и теоретически гораздо более важны, чем такие, возможно, малодоступные для проверки явления, как, скажем, экстрасенсорное восприятие.
Пока поэты и прорицатели беспокоятся о том, как бы привлечь внимание к аномальным феноменам, нарушающим правильное течение нашей повседневной жизни, естественные науки заняты дотошным и зачастую скучным изучением ее кажущейся монотонной упорядоченности. Нам она представляется по меньшей мере столь же интригующей и заслуживающей внимания, как знамения и чудеса, вызывающие столь навязчивую озабоченность мистиков, искателей веры и многих других лиц, далеких от науки.
Тем не менее я пытаюсь здесь спасти от снисходительного забвения давние эксперименты по переносу памяти не просто для того, чтобы отдать историческую справедливость ушедшему в прошлое этапу развития избранной мною области исследований, но и по трем другим гораздо более важным причинам. Прежде всего, нужно показать, как легко может ввести в заблуждение собственная риторика. В главе 4 отмечалось, что очень существенную роль в развитии науки играет аналогия или метафора: она может осветить лежавший впереди путь или завести в тупик. В данном случае аналогия была задана использованием слов "память" и "информация" в трех разных областях: наследственности, иммунологии и теории научения. Власть модных выражений, таких как информационные макромолекулы, и поиск сенсационных результатов для прессы и спонсоров нередко заставляли забывать об осторожности. В данном случае результатом оказалось "открытие" биохимических механизмов памяти, которые искали совсем не на том уровне - на уровне молекул, а не цельных систем мозга, которым принадлежат эти молекулы. Выбор нужного уровня при изучении того или иного феномена в биологии так же стратегически важен, как выбор подходящего организма или условий контрольного эксперимента; эти факторы в такой же степени влияют на исход исследования в наше время, как и двадцать лет назад.
Вторая причина не имеет столь негативного подтекста. Унгар проводил свои опыты еще до того, как другие исследования, позднее давшие начало новой важной ветви нейрофармакологии и выдвинувшие ряд выдающихся ученых, показали, какую важную роль играют многие пептиды в мозгу. Из них наиболее известны болеутоляющие морфиноподобные вещества из группы опиоидных пептидов, такие как энкефалины и эндорфины. В настоящее время открыты десятки таких мозговых пептидов, многие из которых близко родственны гормонам, действующим в других частях тела. Они функционируют как нейромедиаторы и как модуляторы нейронной активности (нейромодуляторы) и имеют отношение не только к боли, но и к удовольствию, стрессу, возбуждению, вниманию и ряду других душевных и телесных состояний общего характера. Поразительно (а может быть, в этом и нет ничего неожиданного), что мифический скотофобин Унгара по своему аминокислотному составу весьма напоминает энкефалины и эндорфины. Сам того не подозревая, Унгар столкнулся с совершенно новой возможностью познавать химические основы мозговых функций; однако он умер, так и не узнав о совсем опередившем время, но неверно истолкованном открытии.
Третий урок: мы теперь видим, как легко возникают артефакты при экспериментальном исследовании таких сложных явлений, как научение и память. Поскольку у животных память можно описать только в поведенческих понятиях, всегда есть опасность, что мы оцениваем тот или иной аспект поведения, а не памяти. В опытах с обучением животных подвергают стрессорным воздействиям или выдерживают голодными, они получают сенсорные сигналы и совершают определенные действия. Если мы регистрируем изменения белкового синтеза в условиях, скажем, коррелятивного эксперимента, как мы можем быть уверены, что это связано именно с процессами научения, а не с сопутствующим поведением? Если же мы проводим интервентивный эксперимент и впрыскиваем животному препарат, который лишает его способности "правильно" выполнять усвоенную ранее задачу, как можно удостовериться, что мы блокируем или нарушаем именно память, а не моторную или сенсорную активность, от которой зависит ее внешнее проявление? Вводимое вещество может ведь делать животных менее голодными, уменьшать их подвижность или чувствительность к электрическому удару.
Совсем непросто придумать эксперименты для проверки всех этих возможностей, что подтверждается оживленным обсуждением этой проблемы в научной литературе. Приведем еще один пример экспериментальных подходов, которые широко использовались в конце 60-х и начале 70-х годов. Предположим, что мышь обучают, помещая ее на небольшую полку в клетке с сетчатым полом, находящимся под током. Всякий раз, когда животное сходит с полки на пол, оно получает слабый электрический удар (это один, из малоприятных видов подкрепления, которые приходится использовать в экспериментальной психологии). После нескольких проб мышь приучается оставаться на полке. В соседней клетке помещают другую мышь, но здесь нет полки. Всякий раз, когда первая мышь получает электрическое раздражение, такому же воздействию подвергается и вторая мышь, однако из-за отсутствия полки она не может ничему научиться и поэтому служит хорошим контролем. Обе мыши получают одинаковое число электрических ударов, но одна обучается избегать их, а другая нет, так как ей некуда уйти; число ударов для нее целиком определяется поведением первой, обучающейся мыши. Следовательно, все различия между ними должны быть приписаны не ударам, а тому, что мышь в клетке с полкой обучается их избегать. Этот прием использовался во многих экспериментах, выявивших различия в биосинтезе белка у обученных и контрольных животных. На основании этих результатов был сделан вывод, что биохимический сдвиг был действительно обусловлен обучением, а не стрессом. Иногда в таких экспериментах используют третий, "спокойный" контроль, и часто у животных этой третьей группы тоже выявляются биохимические отличия от двух других групп - обученной и необученной.
Но постойте. Откуда известно, что контрольное животное ничему не обучается? Может быть, оно узнаёт, что удара нельзя избежать, и это знание очень существенно для его поведения в последующем? Не будут ли различия между "спокойным" контролем и животным, не имеющим возможности избежать удара, результатом обучения или стресса? Или, возможно, обучающаяся мышь испытывает меньший стресс, чем не обучающаяся? Стресс, несомненно, влияет на уровень циркулирующих в крови гормонов, а также может изменять обмен веществ в мозгу. Поэтому даже при полной достоверности биохимических эффектов различия между ними у разных групп животных могут зависеть не только от того, имело ли место научение.
Сходные источники артефактов и ошибок существуют и при биохимических измерениях. Многие из них обусловлены весьма сложными биохимическими факторами, на которых я сейчас не буду останавливаться: достаточно будет сказать о двух. Я уже упоминал (глава 2), что скорость белкового синтеза можно определить, вводя в кровяное русло меченую аминокислоту и измеряя радиоактивность белков в тех или иных областях мозга спустя различные промежутки времени. Однако, прежде чем включиться в белок, радиоактивная аминокислота должна сначала перейти из кровяного русла в нейроны. Поэтому скорость ее включения может изменяться в зависимости от скорости кровотока и других физиологических параметров, которые, таким образом, будут влиять на скорость биосинтеза белка. Такая же неоднозначность возможна в экспериментах с ингибиторами белкового синтеза. Поскольку белки образуются из аминокислот, воздействие этих ингибиторов приводит к тому, что аминокислоты не включаются в белки, а накапливаются в клетке. Некоторые из них, будучи исходным материалом для построения белков, служат также мощными нейромедиаторами, и их избыток может нарушать нормальную электрическую активность нейронов. Поэтому ингибиторы белкового синтеза могли бы вызывать амнезию, обусловленную не дефицитом вновь синтезируемых белков, а повышением внутриклеточной концентрации аминокислот. В первом порыве энтузиазма по поводу "молекул памяти" многие исследователи забыли об осторожности, необходимой при оценке столь неоднозначных биохимических и поведенческих эффектов, что в конечном счете привело к дискредитации не только их собственных результатов, но и целого научного направления.
По мере того как на поверхность выплывали противоречия и артефакты ранних исследований, дутые научные репутации стали лопаться словно пузыри, а приток исследователей в новую науку прекратился и затем повернул вспять. В течение нескольких лет было очень непросто получить средства на исследования памяти; те из нас, кто сохранял верность избранному пути, оказывались в изоляции, и к их данным относились в лучшем случае с вежливым скептицизмом. И когда в начале восьмидесятых годов память снова стала модным объектом нейронаук, она явилась уже в новом обличье.
Примерно к тому времени относится моя статья под несколько провоцирующим, как я надеялся, заглавием: "Какой должна быть биохимия научения и памяти?". Мне казалось, что с проблемами памяти в какой-то мере соприкасаются все новые научные направления. Многие лаборатории с энтузиазмом включились в эту работу, используя разнообразные парадигмы научения, нередко напрямую заимствованные из экспериментальной психологии. Однако это не означает, что широко применяемые в психологии методы (как, например, выработка у крыс реакции нажатия на рычаг для получения корма в скиннеровской клетке) столь же пригодны и для изучения клеточных и биохимических процессов в организме. Иногда объем новой информации, приобретаемой животным в психологическом эксперименте, попросту недостаточен для того, чтобы можно было выявить сопутствующие биохимические изменения. Исследователям биохимии памяти требовались новые модельные системы, в которых изучаемые изменения были бы достаточно велики, чтобы их удавалось выявить, и в то же время было бы ясно, что это не простые артефакты. Известны случаи, когда люди переключались на другие проблемы, считая, что если какие-то биохимические изменения в мозгу действительно "кодируют" память, то они слишком малы для успешного обнаружения, а если они достаточно выражены, то скорее всего не имеют к памяти никакого отношения.
Вопрос о масштабах возможных биохимических изменений был (и даже сейчас остается) весьма серьезным. Физиологи и психологи всегда покорялись необходимости применять статистический анализ для оценки значимости своих результатов. Это не устраивает многих биологов биохимической ориентации, особенно молекулярных биологов, так как изучаемые ими явления нередко подчиняются принципу "всё или ничего" или по крайней мере столь значительны, что различия в экспериментальных условиях или воздействиях приводят к четким различиям в результатах. Если для демонстрации какого-то эффекта нужна статистика, утверждают они, то этот эффект может оказаться нереальным и уж во всяком случае не может быть значительным. Фрэнсис Крик совершенно определенно высказался по этому поводу на дискуссионном заседании Королевского общества в Лондоне в 1977 году, обсуждая доложенные мною данные о 15-20%-ных изменениях скорости белкового синтеза и ферментативной активности при импринтинге у цыплят и первом воздействии света на крыс. Если изменения не превышают 100%, их следует игнорировать: значит, вы изучаете не ту систему или неправильно спланировали эксперимент, - настаивал Крик. Однако присутствовавших физиологов и психологов поразил тот факт, что простая тренировка на импринтинг или любая другая форма обучения вообще могла дать заметные изменения, и в поисках источников артефакта они подвергли наши эксперименты столь же строгому анализу, какой в свое время проводил я сам, пытаясь разобраться в опытах по "передаче памяти".
Независимо от величины наблюдаемых эффектов вставал еще один вопрос, очень важный в теоретическом плане: специфичны ли обнаруженные нами биохимические изменения для импринтинга у цыплят, т. е. действуют ли здесь какие-то особые механизмы, отличные от тех, что лежат в основе проявлений памяти у взрослых птиц или других животных? Или мы имеем дело с биохимическим механизмом, общим для всех видов научения? Психологи различают много форм памяти - процедурную и декларативную, эпизодическую и семантическую, "рабочую" и "справочную", - и следует ли ожидать, что для каждой из них имеется свой собственный биохимический механизм, или же во всех случаях происходят сходные изменения на биохимическом и клеточном уровнях? Существует ли универсальный клеточный механизм памяти у млекопитающих, позвоночных и даже всех животных вообще, или он специфичен для определенных групп организмов?
От ответа от эти вопросы будет зависеть, на каком уровне следует изучать память. Если ключевую роль здесь играют биохимические процессы, то можно ожидать, что каждый вид памяти связан с синтезом каких-то уникальных белков или иных молекул. А если принять другую точку зрения и считать память свойством мозга как системы, а не его отдельных клеточных или молекулярных компонентов, то память должна будет зависеть не от конкретных биохимических процессов, а от того, в каких именно клетках или синапсах происходят изменения, от локализации этих клеток в нервной системе и от их связей с другими клетками.
Вспомним о входной двери в подъезде дома с набором кнопок для звонков. В принципе возможны два способа устройства этой системы, позволяющих известить о приходе посетителя к жильцу той или иной квартиры: либо все звонки слышны во всех квартирах, но различны по звучанию, либо звук у всех звонков одинаков, но каждый из них раздается только в определенной квартире. В первой системе (звуки разные и слышны везде) "смысловое содержание" звонка заключено в его специфическом звучании, а во второй значение имеет не сам звонок, а способ проводки. Эти две возможности по сути дела иллюстрируют два возможных способа работы биохимического механизма памяти. По мнению тех, кто верит в "молекулы памяти", запоминаемая информация заключена как бы в звонке с уникальным звучанием; для тех же, кто считает память системным свойством мозга, звонок - это лишь часть (хотя и важная) всей системы, и чтобы понять смысл его звучания, надо не прислушиваться к звуку, а знать систему проводки.
Если правилен второй подход (а я верю в это, несмотря на весь свой биохимический энтузиазм), то изучаемые мною биохимические события скорее всего отражают общий обмен белков, в том числе мембранных, - часть того, что иногда называют "домашним хозяйством" клетки. (Часто это выражение употребляют с уничижительным оттенком, особенно биохимики-мужчины, которые, видимо, не считают домашнее хозяйство достаточно серьезным делом.) Память заключена в топографии (схеме связей) и динамике нейронной системы. Это означает, что клеточные механизмы запоминания, скажем, телефонного номера или правил вождения автомобиля существенно не различаются: просто в них участвуют разные клетки, по-разному связанные с другими частями мозга.
В начале восьмидесятых годов я думал, что, пока мы не получим более подробных ответов на все эти вопросы, будет трудно понять и сравнить многообразные и подчас противоречивые результаты, полученные в разных лабораториях. Какова их зависимость от небольших особенностей процедуры обучения или от вида используемых животных? Имеет ли смысл добавлять еще одну случайную крупицу знания ко все растущему списку феноменов памяти? Много ли мы имеем "подлинных" обобщений, не ограниченных определенным видом животных или используемым тестом, - обобщений, которые могли бы быть опорой при построении клеточного и биохимического "алфавита" памяти? Или эти попытки так же бесплодны, как погоня за блуждающими огнями?
Огромные достижения молекулярной биологии стали возможны потому, что научные коллективы, игравшие ведущую роль в программах экспериментальных исследований в 50-х и 60-х годах, сосредоточили свои усилия на одном простом организме - обычной кишечной палочке (Escherichia соli). Фрэнсис Крик заметил, даже не без доли серьезности, что все работы по молекулярной биологии и биохимии на любых других объектах следовало бы прекратить, пока не будет выяснено все относительно Е. соli (какой бы смысл ни вкладывался в слова "выяснено все"). Другие биологи, менее "молекулярные", возмущенно протестовали, заявляя, что то, что справедливо для Е. coli, не обязательно справедливо для слона; что биология - наука не только о всеобщем, но и о специфическом; что многоклеточные организмы со сложным мозгом - это не просто агрегаты из 1015 (или около того) отдельных клеток; и, наконец, что свойства таких организмов могут определяться межклеточными отношениями, не присущими никакой из клеток в отдельности. Однако в самом деле, почему бы нейробиологам вообще и исследователям памяти в частности не сосредоточиться на небольшом числе модельных систем, относительно которых ни у кого не возникло бы возражений?
Совершенно очевидно, что научение - это сложный процесс, который включает разные аспекты мозговой деятельности и не может быть сведен к простой линейной последовательности событий. Стресс, возбуждение, двигательная активность и т.п., неизбежно связанные с научением, сами по себе приводят к биохимическим и физиологическим изменениям в мозгу и представляют самостоятельный интерес как объекты исследования. При анализе феноменов научения и памяти приходится также учитывать действие любых факторов, которые могут влиять на эффективность положительного или отрицательного подкрепления (чем меньше у вас голод, жажда или боязнь наказания, тем с меньшим усердием вы будете учиться тому, что сулит вам пищу, воду или надежду избежать электрического удара).
Как я уже отмечал в связи с интерпретацией опытов Унгара, возбуждение, вознаграждение и наказание ассоциируются с изменениями содержания в мозгу и кровяном русле опиоидных и других пептидов. Поэтому инъекции этих пептидов или взаимодействующих с ними веществ могут изменить поведение или проявления памяти. Следовательно, они могут влиять на процесс научения, хотя непосредственно не участвуют в его механизмах, - точно так же, как настройка тембра и громкость в магнитофоне влияют на качество записи и ее воспроизведения, но не имеют прямого отношения к содержанию того, что записано на магнитной ленте.
В настоящее время имеются препараты, введение которых перед обучением или сразу после него улучшает память (т.е. сохранение ее следов, см. главу 5): это видно из результатов испытаний спустя несколько часов или дней после обучения. Другие вещества ухудшают память. Открытие проактивного и ретроактивного воздействия на формирование следов памяти вызвало погоню за лекарственными средствами (при мощной поддержке фармацевтических фирм), которые могли бы облегчить процесс обучения и улучшить память, особенно у пожилых людей, страдающих болезнью Альцгеймера и другими расстройствами памяти (так называемые компенсационные средства.
Стремление получить препараты, способные уменьшить тяжесть таких недугов, как болезнь Альцгеймера, заслуживает всяческого поощрения. Однако я весьма скептически отношусь к более смелым заявлениям пропагандистов компенсационных средств о пользе их применения при столь широко распространенных явлениях, как "возрастное ослабление памяти". Я уже говорил в главе 5, что вообще сомневаюсь в существовании такого явления и в возможности получить лекарственные средства для борьбы с ним, если бы даже оно существовало. Одно дело ввести пептид животному, подвергнуть его испытанию в искусственных лабораторных условиях и показать, что он стимулирует научение и запоминание, и совсем другое - улучшить память человека, подсунув ему таблетку. Нельзя ожидать (отрешившись от идеи "молекул памяти"), что лекарственные препараты могут восстановить забытое, поскольку, как я уже говорил, оно сохраняется в мозгу не в форме особых молекул, а в виде множества специфических нейронных цепей. В лучшем случае все эти таблетки могут влиять лишь на самые общие процессы биохимического "домашнего хозяйства" клеток, необходимые для проявления памяти. Однако мозг является настолько тонко сбалансированной и динамичной системой с высокоэффективными механизмами самонастройки и контроля, что нарушение его биохимического равновесия в случае насыщения (в результате приема таблеток, влияющих на белковый синтез) отдельными медиаторами или нейромодуляторами, может привести к таким же последствиям, как попытка перенастроить радиоприемник или перепрограммировать компьютер, вставив отвертку между двумя элементами схемы.
Ясно одно: каким бы ни был лечебный эффект таких препаратов, они вряд ли могут помочь нам в понимании интимных механизмов памяти. В лучшем случае они будут полезны при изучении отдельных аспектов общего биохимического и гормонального состояния мозга, необходимого для формирования следов памяти, т. е. механизмов "настройки тембра и громкости", но не содержания "магнитофонной записи". По моему мнению, это ключевая научная проблема. Каким образом новая информация, приобретенная в процессе обучения, будет "представлена" в мозгу в форме перестроенных межнейронных связей и сможет впоследствии изменить поведение? Какие молекулярные процессы лежат в основе формирования этих связей? Возможно, что для образования следов памяти необходимы, помимо прочего, и изменения в секреции пептидов, однако этого недостаточно, и ввиду весьма общего характера таких изменений их нельзя считать специфичными для того или иного вида памяти. Именно поэтому я в моих экспериментах уделял сравнительно мало внимания такого рода веществам, и они не будут играть большой роли в последующих главах.
К концу семидесятых годов мне стало ясно, что любой клеточный или биохимический процесс, участвующий в формировании кода памяти, должен обладать особенностями, которые не могут быть изучены с помощью рассмотренных выше препаратов: он должен быть необходимым и достаточным для объяснения памяти. Оставалось неясным, можно ли достичь большего и показать, что какой-то процесс специфичен для данного следа памяти, т.е. представляет в мозгу именно эту и только эту информацию. Учитывая легкость постановки экспериментов, в которых обучение животных той или иной задаче приводит к выраженным биохимическим и клеточным изменениям в мозгу, я чувствовал необходимость выделения критериев, которые помогали бы судить, насколько то или иное изменение действительно необходимо, достаточно и специфично. Эта мысль выкристаллизовалась в бесчисленных долгих беседах, которые Пэт Бейтсон, Габриел Хорн и я вели, обсуждая наши опыты с импринтингом, и мы пытались найти способы ее практического воплощения при разработке контролей, которые использовали в начале семидесятых годов. Но в 1981 году я решил пойти дальше и установить набор критериев, которым должен был удовлетворять любой из предполагаемых биохимических или клеточных факторов формирования памяти. Обсуждение этих критериев связано с новым, более перспективным периодом в истории исследований памяти и, кроме того, служит поворотным пунктом в моей собственной научной биографии, когда я перешел от импринтинга к изучению еще более простой формы научения у цыплят. Все это послужит отправной точкой для следующей главы.