Химическая теория памяти
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Одна из самых важных функций мозга — хранение и вспоминание информации, накопленной в прошлом. Когда эта деятельность происходит осознанно, мы называем ее памятью. На самом простейшем уровне память — это просто-напросто извлечение из предыдущего опыта уроков, которые существенны для сохранения жизни; скажем, когда мы видим огонь, мы вспоминаем, что он обжигает, и тем самым избавляем себя от необходимости убеждаться в этом повторно. Но память человека, разумеется, намного сложнее. Как нам удается без особых трудностей многие годы помнить целые последовательности звеньев жизненного опыта? Или запоминать номера телефонов? И почему мы часто не можем вспомнить имя человека, с которым только что познакомились? Недавно ученые начали разрабатывать химическую теорию памяти, которая, возможно, позволит ответить на эти вопросы.
Суть этой, еще далекой от завершения теории состоит в том, что информация, облеченная в форму электрического сигнала, способна вызывать химические изменения внутри нервных клеток. И когда впоследствии поступающие извне сигналы воссоздают ту же ситуацию в клетках, вновь образующиеся химические вещества возбуждают клетки. Вот эта реакция, происходящая, по-видимому, одновременно во многих клетках, и дает нам возможность запоминать.
Запоминание, обучение, вспоминание
Прежде всего, следует точно определить, что мы имеем в виду, когда говорим о памяти. По сути дела, этим словом объединяются три отдельных понятия. Первое — это процесс перехода системы (имеется в виду часть мозга или организма) от одного состояния к другому, являющийся следствием приобретения какого-то конкретного жизненного опыта. Этот процесс мы будем называть в дальнейшем запоминанием. Второе — это устойчивость нового состояния системы, иначе говоря — след запоминания. Третье — то, что мы в обиходной речи называем вспоминанием,— это использование следа запоминания. Тогда обучение можно определить как процесс, в котором участвуют запоминание и вспоминание. Запоминание, обучение, вспоминание — это все составные части нашего повседневного опыта, но мы пришли к выводу, что искать объяснение явления запоминания надо в следе запоминания; после того, как событие произошло, в мозгу должно «храниться» нечто такое, что может впоследствии послужить основой для вспоминания.
Прояснить сущность этой проблемы помогла кибернетика. Мозг можно сравнить с вычислительной машиной, если предположить, что любой процесс запоминания можно свести к закладке на хранение отдельных единиц информации. В вычислительных машинах информация хранится в блоках памяти и по мере надобности извлекается оттуда.
Можно предположить, что мозг, подобно вычислительной машине, сохраняет следы запоминания как отдельные единицы информации — «биты» — и что в этом хранении участвуют нервные клетки.
Процесс хранения информации должен включать в себя какие-то изменения в мозге, поддающиеся измерению, и мы можем подвергнуть это предположение экспериментальной проверке. Следы запоминания могут быть вызваны тремя различными видами изменений: физическое изменение структуры самих нервных клеток, изменение сложной сети нервных волокон и синапсов, которые соединяют клетки между собой, и субклеточные, химические изменения внутри клеток.
Каждый из вариантов имел своих сторонников. Так, например, в начале прошлого столетия наиболее распространенным было представление о том, что происходят механические изменения формы и размеров нервных клеток. Открытие Бергером и его учениками в 1920 году электрической активности мозга, положившее начало энцефалографии, привело к созданию простой электрической теории запоминания. Поступившая в мозг информация воплощается в индивидуальную систему электрических цепей, которая охватывает много нервных клеток. Каждому следу запоминания соответствует своя индивидуальная электрическая цепь; токи по этой цепи могут циркулировать неопределенно долгое время.
Простейшая цепь объединяет три нервных клетки. Поскольку каждая клетка может служить частью неопределенно большого количества цепей, то числа возможных перестановок из 10 миллионов нервных клеток коры головного мозга вполне достаточно, чтобы их хватило на все акты запоминания, которые происходят на протяжении всей, даже очень долгой жизни.
Электрическая теория была очень привлекательна, поскольку она объясняла беспрерывную электрическую активность мозга. Однако она не могла дать ответы на ряд важнейших вопросов. Во-первых, существование таких непрерывно действующих цепей требовало бы от мозга расхода чрезмерно большого количества энергии. Во-вторых, эта теория не могла объяснить исключительную устойчивость запоминаний. На протяжении первых полутора часов следы запоминания весьма непрочны. Так, например, пострадавшие от сотрясения мозга не могут вспомнить события, непосредственно предшествовавшие удару, который они получили, или другой пример; мы легко забываем адрес, который нам только что дали. Однако после короткого промежутка информация надежно «фиксируется». Она сохраняется после сна, после обморока, после сотрясения мозга, после электрошоковой терапии, после воздействия холода и жары. Запоминания не утрачиваются даже после эпилептических припадков, которые ввергают мозг в состояние неистовой электрической активности.
У животных навыки, приобретенные в процессе обучения, не пропадают даже после спячки, во время которой электрическая активность мозга падает почти до нуля. Поистине можно утверждать, что запоминание — это наиболее устойчивая характеристика индивидуума.
На подступах к химической теории
Смертельный удар теории электрических цепей нанесли эксперименты Карла Лэшли (США). Если теория электрических цепей верна, то для запоминания должно быть существенно важным сохранение организации и взаимосвязей внутри коры головного мозга. Лэшли удалял очень большие участки коры или рассекал всю поверхность мозга серией разрезов, которые должны были привести к уничтожению всех цепей запоминания. Но, несмотря на столь решительные рассечения, функция запоминания сколько-нибудь существенно не нарушалась.
Коль скоро природа связей между нервными клетками не имеет значения, значит, следы запоминания нужно искать в изменениях, которые происходят в самих клетках. И тогда мы приходим к мысли о том, что механизм запоминания основан на тонких химических изменениях компонентов клетки. Эти изменения должны удовлетворять двум требованиям. Во-первых, компоненты клетки должны быть исключительно устойчивыми; во-вторых, их структура должна быть такой, чтобы она позволяла образовывать очень большое количество перестановок, — каждая из перестановок при этом будет соответствовать отдельному «биту» информации.
Только три компонента клетки удовлетворяют этим требованиям; две нуклеиновых кислоты — ДНК и РНК—и белок. ДНК — это молекула, которая несет на себе генетический код. Молекула РНК образуется на матрице ДНК, а затем, в свою очередь, служит матрицей для синтеза белка. Поскольку индивидуальные запоминания, приобретенные на протяжении жизни, не передаются последующим поколениям, следовательно, следы запоминания не могут образовываться за счет непрерывного изменения внутриклеточной ДНК. Значит, остается предположить, что нервные клетки хранят следы запоминания посредством изменения структуры их РНК — белкового комплекса.
Эту гипотезу подтверждают результаты исследований, проведенных различными учеными, в частности психологами Уэсян Дингмэном и Майклом Спорном (США). Они исходили из того, что если для сохранения следов запоминания необходим синтез РНК, то нарушив или предотвратив этот синтез, можно ослабить способность животного к запоминанию.
Существует такое соединение, как 8-аза-гуанин, которое настолько похоже по структуре на гуанин — одно из четырех оснований, входящих в состав РНК,— что ферменты, ответственные за синтез РНК, «не отличают» его от гуанина. И если в распоряжении ферментов находится 8-аза-гуанин, они будут вырабатывать РНК, в состав которой входит искусственно полученное соединение вместо гуанина. Однако эта новая РНК уже не несет в себе кода, Поэтому Дингмэн и Спорн изучали воздействие 8-аза-гуанина на способность крыс запоминать путь через лабиринты.
Эксперименты проводились в водном лабиринте — в баке с водой с поперечным сечением 75\75 сантиметров и глубиной 30 сантиметров. В одном углу бака была стартовая площадка, а лесенка, по которой крыса могла выбраться из бака, находилась в противоположном углу. Между стартовой площадкой и лестницей ставился лабиринт из медных перегородок, через который крыса должна была проплыть. В эксперименте измерялось время, затрачиваемое крысой на преодоление лабиринта, и число ошибок, которые крыса при этом совершала. В первом эксперименте крысы были обучены преодолевать лабиринт № 3. Затем им были сделаны инъекции 3-аза-гуанина. Это не повлияло ни на умение крыс плавать, ни на легкость, с которой они отыскивали дорогу через лабиринт. Отсюда следовал вывод, что 8-аза-гуанин не влияет на процесс вспоминания установившихся навыков.
Во втором эксперименте крысы были обучены в совершенстве преодолевать лабиринты № 1 и № 2, а затем их разделили на две группы, Крысам одной из групп были сделаны инъекции 8-аза-гуанина, другая группа была оставлена для сравнения. Через 15 минут после того, как были сделаны инъекции, каждую крысу подвергли испытаниям в лабиринте № 3. Каждая крыса преодолевала лабиринт по 15 раз с интервалом в 3 минуты. Разница между результатами, показанными контрольной группой и той группой крыс, которым была сделана инъекция, оказалась очень существенной. Крысы, подвергнутые инъекции, делали в среднем вдвое больше ошибок в ходе испытаний, нежели представительницы контрольной группы. Наибольшая разница была отмечена во время нескольких первых проплывов через лабиринт; при этом крысы, которым был введен 3-аза-гуанин, совершали в три с лишним раза больше ошибок, чем контрольные животные.
Однако в дальнейшем различие между этими двумя группами уменьшалось, Дингмэн и Спорн сделали вывод, что 8-аза-гуанин уменьшает способность крыс запоминать путь через новый лабиринт. Смысл этой зависимости ясен: пока синтез РНК приостановлен, новые следы запоминания не возникают. Однако если такие следы уже были образованы, то на них прекращение синтеза РНК не влияет.
Результаты, полученные при изучении поведения червей-планарий, тоже указывают на то, что РНК играет роль в процессе запоминания. Планария — небольшой плоский червь, обитающий в прудах. Это животное обладает лишь зачатками нервной системы. Тем не менее планарии способны вырабатывать условные рефлексы, подобные тем, которые впервые продемонстрировал И. Павлов, приучив собаку выделять слюну при звуке колокольчика. Планария обычно стремится к яркому свету, а на раздражение электрическим током она реагирует, сжимаясь или изгибаясь. При одновременном действии светом и током планарии реагируют только на электрический разряд. А после сотни повторений они начинают сжиматься, даже если их раздражают только светом. Иначе говоря, планарии приучаются связывать световой сигнал с электрическим разрядом и, раз усвоив этот навык, долго его не забывают — вновь приобретенная реакция на свет сохраняется на протяжении многих недель.
Если планарию разрезать на две половинки, то у хвоста вырастает новая голова, а у головы отрастает новый хвост. Таким образом, через четыре недели из одного червя получается два новых полностью развитых червя. Будут ли дочерние черви помнить то, чему был обучен их предок?
Как оказалось, при раздражении светом сжимается не только головная половинка, но и хвост с вновь отросшей головой. Это может означать только одно: информация, связанная со следами запоминания, присутствовала и в головной части (где находится мозг) и в хвосте. Наиболее просто данное явление можно объяснить, предположив, что некоторый химический носитель кода может мигрировать по нервной системе планарии. Эти выводы, опубликованные Мак Коннелом и его сотрудниками, всполошили и восхитили весь научный мир и послужили толчком для продолжения экспериментов.
Впоследствии Джон и Мак Коннел сообщили, какое последствие имело скармливание мелко нарезанных обученных планарий необученным. Те черви-«каннибалы», которых кормили обученными собратьями, гораздо быстрее начинали правильно реагировать на свет, нежели те черви, которые питались необученными! Человек не может приобретать знания таким путем: в отличие от высших животных планарии поглощают такие гигантские молекулы, как РНК, без предварительного расщепления их на составные компоненты. В результате «каннибал», который питался обученными червями (и этот процесс можно продолжать на протяжении нескольких генераций), усваивал неповрежденными часть «запоминающих молекул», а следовательно, и то, что запомнили планарии, служившие ему пищей.
Процесс обучения планарии очень далек от того процесса запоминания, который свойствен нам. Поэтому выводы, полученные в результате экспериментов Дингмэна и Спорна, могут показаться слишком косвенными. Более убедительны с биохимической точки зрения исследования, выполненные Хольгером Хиденом и его сотрудниками в Гетеборге (Швеция). На протяжении двух последних десятилетий Хиден достиг такого совершенства в препарировании, что мог извлекать неповрежденными отдельные нервные клетки из мозга кролика. Манипулируя специально сконструированными крошечными инструментами из нержавеющей стали, он научился отделять нервные клетки, весящие менее десятимиллионной доли грамма, от окружающих их клеток — так называемых глиальных.
Хиден обнаружил, что в нервных клетках содержится поразительно большое количество РНК — в десять с лишним раз больше, чем в глиальных клетках. Кроме того, он установил, что процессы синтеза и разрушения РНК в нервных клетках протекают с большой скоростью. Более того, оказалось, что РНК нервных клеток отличается по составу от глиальной РНК. Все виды РНК состоят из четырех оснований — аденина, гуанина, цитозина и урацила, — скомбинированных в различных пропорциях. Связь между основаниями и их чередованием в молекуле определяет собой код, который несет на себе РНК. Сравнивая РНК нервной клетки и глиальную РНК, Хиден установил, что количества аденина и урацила в той и другой примерно одинаковы. В то же время нервная клетка содержит пропорционально больше гуанина и меньше цитозина.
Изменения структуры РНК
Данные различных экспериментов подтверждают гипотезу, согласно которой сохранение следов запоминания зависит каким-то образом от РНК. Хиден выдвинул предположение по поводу возможного механизма этого влияния. Согласно его модели, импульсы, генерируемые в сенсорных — чувствительных или моторных — двигательных клетках мозга, вызывают изменения в системе электрических цепей. Модулированная частота последовательности электрических разрядов, поступающих в данную клетку, нарушает ионное равновесие внутри клетки, а в результате нарушается и устойчивость оснований молекулы РНК. Это фаза переходного, неустойчивого запоминания. Неустойчивость РНК приводит к замене одного основания другим, более устойчивым при данной частоте, из резерва тех свободных оснований, которые всегда присутствуют внутри клетки.
В результате возникает иная кодирующая система для РНК, и, следовательно, начинается синтез иного, отличного от прежнего белка. Либо РНК, либо белок, который синтезируется с ее участием, и представляют собой устойчивые следы запоминания. Новый белок может реагировать на ту же самую частоту электрических сигналов-импульсов, которая ранее определила видоизменение РНК. Эта реакция есть не что иное, как распад белка, возбуждающий нервную клетку. При этом та система электрических цепей, которая ранее определила видоизменение РНК, восстанавливается, мозг вспоминает.
В такой модели любая нервная клетка способна хранить неограниченное количество РНК — следов запоминания, и любой из следов запоминания может храниться более чем в одной клетке. Данная теория не требует ни существования какой-то единственной в своем роде клетки, ни совокупности специфических связей между клетками. Ничего невероятного с биохимической точки зрения в этой модели нет. Все, что необходимо в данном случае,— это присутствие внутри клетки молекулы РНК плюс синтезируемого с ее участием белка, которые должны реагировать на частоты сигналов, поступающих в клетку, инициируя электрический разряд. Таким образом, становятся понятными и устойчивость и очевидная нелокализованность следов запоминания.
Описанная схема, конечно, гипотетична. Это один из возможных вариантов. Безусловно, понадобится внести существенные поправки по мере накопления экспериментального материала. Но важно то, что данная модель представляет собой разумную основу для таких экспериментов. По крайней мере, есть что проверять. И если условия сложатся благоприятно, то нет оснований сомневаться в том, что проблема памяти будет решена.
Автор: Стивен Роуз, перевод с английского.