Хімічна теорія пам’яті

Одна з найбільш важливих функцій мозку — зберігання і пригадування інформації, накопиченої в минулому. Коли ця діяльність відбувається усвідомлено, ми називаємо її пам’яттю. На найпростішому рівні пам’ять — це просто-напросто витяг з попереднього досвіду уроків, які істотні для збереження життя; скажімо, коли ми бачимо вогонь, ми згадуємо, що він обпікає, і тим самим позбавляємо себе від необхідності переконуватися в цьому повторно. Але пам’ять людини, зрозуміло, набагато складніше. Як нам вдається без особливих труднощів багато років пам’ятати цілі послідовності ланок життєвого досвіду? Або запам’ятовувати номери телефонів? І чому ми часто не можемо згадати ім’я людини, з якою щойно познайомилися? Недавно вчені почали розробляти хімічну теорію пам’яті, яка, можливо, дозволить відповісти на ці питання.

Суть цієї, ще далекої від завершення теорії полягає в тому, що інформація, зодягнена у форму електричного сигналу, що здатна спричиняти хімічні зміни всередині нервових клітин. І коли згодом сигнали, що надходять ззовні відтворюють ту ж ситуацію в клітинах, знову утворені хімічні речовини збуджують клітини. Ось ця реакція, що відбувається, мабуть, одночасно в багатьох клітинах, і дає нам можливість запам’ятовувати.

Запам’ятовування, навчання, згадування

Насамперед, слід точно визначити, що ми маємо на увазі, коли говоримо про пам’ять. По суті справи, цим словом об’єднуються три окремі поняття. Перше — це процес переходу системи (мається на увазі частина мозку або організму) від одного стану до іншого, є наслідком придбання якогось конкретного життєвого досвіду. Цей процес ми будемо називати надалі запам’ятовуванням. Друге — це стійкість нового стану системи, інакше кажучи — слід запам’ятовування. Третє — те, що ми в повсякденній мові називаємо згадуванням,— це використання сліду запам’ятовування. Тоді навчання можна визначити як процес, в якому беруть участь запам’ятовування і згадування. Запам’ятовування, навчання, згадування — це все складові частини нашого повсякденного досвіду, але ми прийшли до висновку, що шукати пояснення явища запам’ятовування треба в сліді запам’ятовування; після того, як подія відбулася, у мозку має «зберігатися» щось таке, що може згодом стати основою для згадування.

Прояснити сутність цієї проблеми допомогла кібернетика. Мозок можна порівняти з обчислювальною машиною, якщо припустити, що будь-який процес запам’ятовування можна звести до закладки на зберігання окремих одиниць інформації. В обчислювальних машинах інформація зберігається в блоках пам’яті і в міру потреби витягується звідти.

Можна припустити, що мозок, подібно обчислювальній машині, зберігає сліди запам’ятовування як окремі одиниці інформації — «біти» — і що в цьому зберіганні беруть участь нервові клітини.

Процес зберігання інформації повинен включати в себе якісь зміни в мозку, які піддаються виміру, і ми можемо піддати це припущення експериментальній перевірці. Сліди запам’ятовування можуть бути викликані трьома різними видами змін: фізична зміна структури самих нервових клітин, зміна складної мережі нервових волокон і синапсів, які з’єднують клітини між собою, і субклітині, хімічні зміни всередині клітин.

Кожен з варіантів мав своїх прихильників. Так, наприклад, на початку минулого сторіччя найбільш поширеним було уявлення про те, що відбуваються механічні зміни форми і розмірів нервових клітин. Відкриття Бергером і його учнями в 1920 році електричної активності мозку, що поклало початок енцефалографії, призвело до створення простої електричної теорії запам’ятовування. Вхідна в мозок інформація втілюється в індивідуальну систему електричних ланцюгів, яка охоплює багато нервових клітин. Кожному сліду запам’ятовування відповідає свій індивідуальний електричний ланцюг; струми по цьому ланцюгу можуть циркулювати невизначено довгий час.

Найпростіший ланцюг об’єднує три нервових клітини. Оскільки кожна клітина може служити частиною невизначено великої кількості ланцюгів, то числа можливих перестановок з 10 мільйонів нервових клітин кори головного мозку цілком достатньо, щоб їх вистачило на всі акти запам’ятовування, які відбуваються впродовж всього, навіть дуже довгого життя.

Електрична теорія була дуже приваблива, оскільки вона пояснювала безперервну електричну активність мозку. Проте вона не могла дати відповіді на ряд важливих питань. По-перше, існування таких безперервно діючих ланцюгів вимагало б від мозку витратити надмірно велику кількість енергії. По-друге, ця теорія не могла пояснити виняткову стійкість запам’ятовування. Протягом перших півтора годин сліди запам’ятовування досить неміцні. Так, наприклад, постраждалі від струсу мозку не можуть згадати події, що безпосередньо передували удару, який вони отримали, або інший приклад; ми легко забуваємо адресу, яку нам тільки що дали. Однак після короткого проміжку інформація надійно «фіксується». Вона зберігається після сну, після непритомності, після струсу мозку, після електрошокової терапії, після впливу холоду та спеки. Запам’ятовування не втрачаються навіть після епілептичних припадків, які ввергають мозок у стан шаленої електричної активності.

У тварин навички, набуті в процесі навчання, не зникають навіть після сплячки, під час якої електрична активність мозку падає майже до нуля. Воістину можна стверджувати, що запам’ятовування — це найбільш стійка характеристика індивідуума.

На підступах до хімічної теорії

Смертельного удару теорії електричних ланцюгів завдали експерименти Карла Лешлі (США). Якщо теорія електричних ланцюгів вірна, то для запам’ятовування має бути суттєво важливим збереження організації та взаємозв’язків всередині кори головного мозку. Лешлі видаляв дуже великі ділянки кори або розсікав всю поверхню мозку серією розрізів, які повинні були привести до знищення всіх ланцюгів запам’ятовування. Але, незважаючи на настільки рішучі розсічення, функція запам’ятовування скільки-небудь істотно не порушувалася.

Коль скоро природа зв’язків між нервовими клітинами не має значення, значить, сліди запам’ятовування потрібно шукати у змінах, які відбуваються в самих клітинах. І тоді ми приходимо до думки про те, що механізм запам’ятовування заснований на тонких хімічних зміни компонентів клітини. Ці зміни повинні задовольняти двом вимогам. По-перше, компоненти клітини повинні бути виключно стійкими; по-друге, їх структура повинна бути такою, щоб вона дозволяла утворювати дуже велику кількість перестановок, — кожна з перестановок при цьому буде відповідати окремому «біту» інформації.

Тільки три компоненти клітини задовольняють цим вимогам; дві нуклеїнові кислоти — ДНК та РНК і білок. ДНК — це молекула, яка несе на собі генетичний код. Молекула РНК утворюється на матриці ДНК, а потім, у свою чергу, служить матрицею для синтезу білка. Оскільки індивідуальні запам’ятовування, набуті впродовж життя, не передаються наступним поколінням, отже, сліди запам’ятовування не можуть утворюватися за рахунок безперервної зміни внутрішньоклітинної ДНК. Значить, залишається припустити, що нервові клітини зберігають сліди запам’ятовування за допомогою зміни їх структури РНК — білкового комплексу.

Цю гіпотезу підтверджують результати досліджень, проведених різними вченими, зокрема психологами Уэсян Дінгмэном та Майклом Спорном (США). Вони виходили з того, що якщо для збереження слідів запам’ятовування необхідний синтез РНК, порушивши або запобігши цьому синтезу, можна послабити здатність тварини до запам’ятовування.

Існує таке з’єднання, як 8-аза-гуанін, яке настільки схоже по структурі на гуанін — одну з чотирьох основ, що входять до складу РНК, що ферменти, відповідальні за синтез РНК, «не відрізняють» його від гуаніна. І якщо у розпорядженні ферментів знаходиться 8-аза-гуанін, вони будуть виробляти РНК, до складу якої входить штучно отримане з’єднання замість гуаніна. Проте ця нова РНК вже не несе в собі коду, Тому Дінгмэн та Спорн вивчали вплив 8-аза-гуаніна на здатність щурів запам’ятовувати шлях через лабіринти.

Експерименти проводилися у водному лабіринті — у баку з водою з поперечним перетином 75\75 сантиметрів і глибиною 30 сантиметрів. В одному кутку бака була стартова площадка, а драбинка, по якій щур міг вибратися з бака, перебувала в протилежному кутку. Між стартовим майданчиком і сходами ставився лабіринт з мідних перегородок, через який шур повинен був проплисти. В експерименті вимірювався час, що витрачається щуром на подолання лабіринту, і число помилок, які щур при цьому скоював. У першому експерименті щури були навчені долати лабіринт № 3. Потім їм були зроблені ін’єкції 3-аза-гуаніна. Це не вплинуло ні на вміння щурів плавати, ні на легкість, з якою вони відшукували дорогу через лабіринт. Звідси слідував висновок, що 8-аза-гуанін не впливає на процес згадування сталих навичок.

У другому експерименті щурі були навчені досконало долати лабіринти № 1 і № 2, а потім їх розділили на дві групи, Щурам однієї з груп були зроблені ін’єкції 8-аза-гуаніна, інша група була залишена для порівняння. Через 15 хвилин після того, як були зроблені ін’єкції, кожного щура піддали випробуванням в лабіринті № 3. Кожний щур долав лабіринт по 15 разів з інтервалом в 3 хвилини. Різниця між результатами, показаними контрольною групою і тією групою щурів, яким була зроблена ін’єкція, виявилася дуже суттєвою. Щури, піддані ін’єкції, робили в середньому вдвічі більше помилок в ході випробувань, ніж представниці контрольної групи. Найбільша різниця була відзначена під час перших кількох пропливів через лабіринт; при цьому щури, яким був введений 3-аза-гуанін, здійснювали в три з гаком рази більше помилок, ніж контрольні тварини.

Проте надалі відмінність між цими двома групами зменшувалася, Дінгмэн та Спорн зробили висновок, що 8-аза-гуанін зменшує здатність щурів запам’ятовувати шлях через новий лабіринт. Сенс цієї залежності ясний: поки синтез РНК припинений, нові сліди запам’ятовування не виникають. Однак якщо такі сліди вже були утворені, то на них припинення синтезу РНК не впливає.

Результати, отримані при вивченні поведінки черв’яків-планарій, теж вказують на те, що РНК відіграє роль у процесі запам’ятовування. Планарія — невеликий плоский черв’як, що живе в ставках. Ця тварина володіє лише зачатками нервової системи. Тим не менш планарії здатні виробляти умовні рефлекси, подібні тим, які вперше продемонстрував В. Павлов, привчивши собаку виділяти слину при звуці дзвоника. Планарія зазвичай прагне до яскравого світла, а на подразнення електричним струмом вона реагує, стискаючись або вигинаючись. При одночасній дії світлом і струмом планарії реагують тільки на електричний розряд. А після сотні повторень вони починають стискатися, навіть якщо їх дратують тільки світлом. Інакше кажучи, планарії привчаються пов’язувати світловий сигнал з електричним розрядом і, раз засвоївши цей навик, довго його не забувають — знову придбана реакція на світло зберігається протягом багатьох тижнів.

Якщо планарію розрізати на дві половинки, то біля хвоста виростає нова голова, а у голови відростає новий хвіст. Таким чином, через чотири тижні з одного хробака виходить два нових повністю розвинених хробака. Чи дочірні черв’яки будуть пам’ятати те, чого навчився їх предок?

Як виявилося, при подразненні світлом стискається не тільки головна половинка, але і хвіст із новою головою. Це може означати тільки одне: інформація, пов’язана зі слідами запам’ятовування, була присутня і в головній частині (де знаходиться мозок) і в хвості. Найбільш просто це явище можна пояснити, припустивши, що певний хімічний носій коду може мігрувати по нервовій системі планарії. Ці висновки, опубліковані Мак Коннелом і його співробітниками, сполохали і захопили весь науковий світ і послужили поштовхом для продовження експериментів.

Згодом Джон та Мак-Коннел повідомили, який наслідок мало згодовування дрібно нарізаних навчених планарій ненавченим. Ті черв’яки-«канібали», яких годували навченими побратимами, набагато швидше починали правильно реагувати на світло, ніж ті черв’яки, які харчувалися ненавченими! Людина не може набувати знання таким шляхом: на відміну від вищих тварин планарії поглинають такі гігантські молекули, як РНК, без попереднього розщеплення їх на складові компоненти. В результаті «канібал», який харчувався навченими черв’яками (і цей процес можна продовжувати протягом декількох генерацій), засвоював неушкодженими частину «запам’ятовуючих молекул», а отже, і те, що запам’ятали планарії, які служили йому їжею.

Процес навчання планарії дуже далекий від того процесу запам’ятовування, який властивий нам. Тому висновки, отримані в результаті експериментів Дінгмэна та Спорна, можуть здатися занадто непрямими. Більш переконливі з біохімічної точки зору дослідження, виконані Хольгером Хіденом і його співробітниками в Гетеборзі (Швеція). Протягом двох останніх десятиліть Хіден досяг такої досконалості в препаруванні, що міг отримувати неушкодженими окремі нервові клітини з мозку кролика. Маніпулюючи спеціально сконструйованими крихітними інструментами з нержавіючої сталі, він навчився відокремлювати нервові клітини, які важать менше десятимільйонної частки грама, від оточуючих їх клітин — так званих гліальних.

Хіден виявив, що в нервових клітинах міститься вражаюче велику кількість РНК — в десять з гаком разів більше, ніж в гліальних клітинах. Крім того, він встановив, що процеси синтезу і руйнування РНК в нервових клітинах протікають з великою швидкістю. Більше того, виявилося, що РНК нервових клітин відрізняється за складом від гліальної РНК. Всі види РНК складаються з чотирьох основ — аденіну, гуаніну, цитозину й урацилу, — скомбінованих в різних пропорціях. Зв’язок між основами та їх чергуванням в молекулі визначає собою код, який несе на собі РНК. Порівнюючи РНК нервової клітини та гліальну РНК, Хіден встановив, що кількість аденіну та урацилу в тій і іншій приблизно однакові. У той же час нервова клітина містить пропорційно більше гуаніну і менше цитозину.

Зміни структури РНК

Дані різних експериментів підтверджують гіпотезу, згідно з якою збереження слідів запам’ятовування залежить якимось чином від РНК. Хіден висунув припущення з приводу можливого механізму цього впливу. Відповідно до його моделі, імпульси, що генеруються в сенсорних — чутливих або моторних — рухових клітинах мозку, викликають зміни в системі електричних ланцюгів. Модульовані частота послідовності електричних розрядів, що надходять в дану клітину, порушує іонну рівновагу всередині клітини, а в результаті порушується і стійкість основ молекули РНК. Це фаза перехідного, нестійкого запам’ятовування. Нестійкість РНК призводить до заміни однієї основи іншою, більш стійкою при даній частоті, з резерву тих вільних основ, які завжди присутні всередині клітини.

В результаті виникає інша кодуюча система для РНК, і, отже, починається синтез іншого, відмінного від колишнього білка. Або РНК, або білок, який синтезується з її участю, і являють собою стійкі сліди запам’ятовування. Новий білок може реагувати на ту ж саму частоту електричних сигналів-імпульсів, яка раніше визначила видозміну РНК. Ця реакція є не що інше, як розпад білка, що збуджує нервову клітину. При цьому та система електричних ланцюгів, яка раніше визначила видозміну РНК, відновлюється, мозок згадує.

У такій моделі будь-яка нервова клітина здатна зберігати необмежену кількість РНК — слідів запам’ятовування, і будь-яких слід запам’ятовування може зберігатися не більш ніж в одній клітині. Дана теорія не вимагає ні існування якоїсь єдиної в своєму роді клітини, ні сукупності специфічних зв’язків між клітинами. Нічого неймовірного з біохімічної точки зору в цій моделі немає. Все, що необхідно в даному випадку,— це присутність всередині клітини молекули РНК плюс синтезованого з її участю білка, які повинні реагувати на частоти сигналів, що надходять у клітину, ініціюючи електричний розряд. Таким чином, стають зрозумілими і стійкість і очевидна нелокалізованість слідів запам’ятовування.

Описана схема, звичайно, гіпотетична. Це один з можливих варіантів. Безумовно, знадобиться внести істотні поправки у міру накопичення експериментального матеріалу. Але важливо те, що дана модель являє собою розумну основу для таких експериментів. Принаймні, є що перевіряти. І якщо умови складуться сприятливо, то немає підстав сумніватися в тому, що проблема пам’яті буде вирішена.

Автор: Стівен Роуз, переклад з англійської.