Гиппокамп как когнитивная карта
Признание ДВП в гиппокампе единственной моделью памяти в восьмидесятых годах скорее всего было закреплено все возраставшим потоком психологических данных о роли этого отдела мозга в обучении животных. В то время как исследования на людях позволяли предполагать участие гиппокампа в переходе от кратковременной декларативной памяти к долговременной (что подтверждалось наблюдениями над обезьянами с поврежденным гиппокампом), опыты на крысах выявили еще один аспект его роли в механизмах памяти. Одним из наиболее выраженных последствий повреждения гиппокампа у этих животных была утрата способности обучаться задачам на пространственную ориентацию, например в лабиринтах. Хотя ранее этот эффект уже наблюдали при выполнении крысами более традиционных задач с лабиринтом, его особенно убедительно продемонстрировал в своем тесте Ричард Моррис, в то время работавший в Университете Сент-Андру (сейчас - в Эдинбурге). Он использовал круглый чан с высокими стенками диаметром около двух метров, наполненный теплой водой, которую замутняли, добавляя молоко. Чан находился в комнате, на стенах которой были легко узнаваемые ориентиры: на северной стене - часы, на южной - источник света, на восточной - клетка и т. д. В чане, чуть ниже уровня жидкости, имелась полка, невидимая в мутной воде. Помещенная в чан крыса начинала беспорядочно плавать, пока более или менее случайно не натыкалась на полку и не взбиралась на нее. Путь, проделанный плавающей крысой, прослеживали с помощью телекамеры, укрепленной над чаном. После нескольких тренировок крыса стала быстро направляться почти прямо к полке, находя ее по окружающим ориентирам - часам, источнику света и клетке. Такой план эксперимента позволял легко оценивать действие различных веществ, повреждений или иных манипуляций по изменению быстроты, с которой крыса находила скрытую полку. Этот тип лабиринта стал настолько популярным, что изобретатель удостоился высшей научной почести - эпонимии (когда явление, метод или инструмент называют чьим-либо именем), а сам аппарат именуется теперь «водяным лабиринтом Морриса» (рис. 9.5). В последние годы он практически вытеснил ящик Скиннера как непременный атрибут всех психологических лабораторий.
Рис. 9.5. Лабиринт Морриса. В этом тесте крысу помещают в чан с замутненной водой (I), где она учится находить находящуюся под водой площадку (II). После нескольких сеансов обучения крыса плывет сразу по направлению к площадке (III). Однако животные с поврежденным гиппокампом или после нарушения памяти химическими средствами плавает беспорядочно и лишь случайно находит площадку, как будто раньше оно не обучалось этому (IV).
Как же крыса учится находить невидимую полку? Знает ли она, скажем, расстояние, которое проплыла от точки старта, или руководствуется ориентирами, которые видит на стенах комнаты? Такие предположения легко проверить. Изменение начальной точки плавания почти не влияет на способность крысы находить полку. С другой стороны, при изменении относительного положения настенных ориентиров, например при перемещении часов с северной стены на южную, крыса теряет дорогу и плывет к той области чана, где находилась бы полка относительно часов, если бы часы оставались на прежнем месте. Следовательно, животное определяет свое местонахоядение в пространстве, используя в качестве ориентиров окружающие объекты. (Разумеется, о чем-то подобном догадается любой человек без специальной подготовки, но не так рассуждают психологи, воспитанные на заветах Скиннера). В то же время повреждение гиппокампа резко ухудшает способность крыс запоминать или вспоминать пространственные ориентиры, а тем самым и находить кратчайший путь к спасительной полке.
Водяной лабиринт дает ряд преимуществ при анализе пространственного обучения, так как помещенное в чан животное ничем не ограничено в выборе пути; однако эти преимущества могут быть сведены на нет тем, что плавание вызывает определенный стресс, а животное обучается достигать сравнительно случайной цели. До того как Моррис предложил свой лабиринт, при анализе процессов пространственного научения обычно применяли более традиционный вариант той же задачи. Крыс помещали в радиальный лабиринт той или иной конфигурации с четырьмя, шестью или восемью рукавами и обучали находить цель - пищу или воду - в конце одного из рукавов. Животные могли использовать как внутренние ориентиры лабиринта, так и наружные - на стенах комнаты, относительно которых лабиринт можно было поворачивать. С помощью аппаратов такого типа Дэвиду Олтону из Балтимора и Джону О'Кифу и Линн Нейдл (оба экспатрианты из США, в то время работавшие в Университетском колледже в Лондоне, хотя Нейдл впоследствии вернулась в Америку и работает в Тусоне, штат Аризона) удалось установить различие между ориентирами рабочей и справочной памяти крыс, обучавшихся находить цель. Крысы могут использовать ориентиры самого лабиринта, например «второй поворот направо от этой точки». Это форма рабочей памяти, так как такие ориентиры имеют смысл лишь в том случае, если животное помнит, откуда оно только что пришло. Но крысы могут полагаться также и на ориентиры окружающей среды (следуя, например, правилу: «поворот налево по отношению к часам на стене»), используя их как ориентиры фиксированной или справочной памяти.
О'Киф и Нейдл вживляли регистрирующие электроды в гиппокамп крыс и изучали электрическую активность его клеток при пространственном обучении в лабиринте описанного типа. Довольно большая доля клеток давала ритмические вспышки высокочастотных сигналов (4-12 в секунду) более или менее независимо от характера поведения животного. Эта ритмическая активность интересна потому, что она соответствует так называемому тэта-ритму ЭЭГ и, возможно, отражает внимание, необходимое для усвоения или вспоминания той или иной формы поведения. Но еще больший интерес представлял тот факт, что значительное число клеток активировалось только при посещении крысой определенных участков лабиринта и/или при определенных формах поведения (поиски корма, питье воды и т. п.) на этих участках. О'Киф и Нейдл назвали такие нейроны «клетками мест», а участки лабиринта, на которых проявлялась их активность, - «полями мест».
Обобщив полученные данные, они создали теорию «Гиппокампа как когнитивной карты» - так была озаглавлена их книга, вышедшая в 1978 году. Заглавие утверлодало не только главенствующее положение гиппокампа в исследованиях по научению у животных, но и служило символом концептуального перехода психологов от грубых схем бихевиоризма и упрощенного ассоциационизма к представлению о животных как познающих существах, подобных в этом смысле человеку. Познавательное (когнитивное) поведение несводимо к простой цепи сочетаний различных реакций с подкреплением; оно отражает целенаправленную активность, формулировку гипотез и многое другое, что раньше игнорировала англо-американская психологическая школа [18].
Когнитивная карта в понимании О'Кифа и Нейдл - это не просто топографическое отображение пространства, в котором находится животное: она отражает также распределение клеточных систем, осуществляющих анализ и интеграцию пространственных ориентиров в контексте их значения для действий животного. Хотя в модели О'Кифа действительно есть особые «клетки мест» (в восьмидесятых годах другие исследователи обнаружили у обезьян клетки, отвечавшие даже на такие специфические стимулы, как фотографии определенных лиц), концепция когнитивной карты во многих отношениях служит прямой антитезой модели «клеточного алфавита», предложенной Кэнделом. «Клетку места» О'Кифа невозможно выделить и продемонстрировать ее «обучение в блюдце», поскольку ее реакции биологически значимы только в контексте всей деятельности нервной системы и всего поведения организма. Сочетание воспроизводимости и надежности долговременной потенциации как физиологического явления, данные о ключевой роли гиппокампа в памяти млекопитающих и воскресшая надежда на возможность плодотворного исследования клеточных процессов памяти привели в начале восьмидесятых годов к необычайному увлечению экспериментами на гиппокампе. Лаборатории, годами работавшие над более традиционными проблемами памяти, стали получать средства на закупку лабиринтов Морриса и установку оборудования для изучения ДВП. Этому способствовала простота экспериментирования на гиппокампе. Гиппокамп имеется у таких обычных лабораторных животных, как крысы и кролики, с которыми давно уже знакомы психологические и нейрофизиологические лаборатории, а исследования не требуют, например, аквариумов с морской водой для аплизий или знания новейших данных по нейроанатомии цыплят. Столь же доступны технические средства, такие как регистрирующие электроды и химические препараты. Феномен ДВП можно изучать на самых разных уровнях, от более или менее интактного организма до срезов ткани. К концу восьмидесятых годов гиппокампу было посвящено больше публикаций, чем любой другой области мозга, и появился даже новый журнал, полностью посвященный гиппокампу. На его изучение переключились даже лаборатории, работавшие раньше на беспозвоночных, в частности группа Элкона, для которой объектом служил моллюск Hermissenda.
Пользуясь случаем, хотел бы привлечь внимание к определению «англо-американская» в этом абзаце. В главах 5 и 6 я противопоставил сухой, абстрактный редукционизм, который доминировал в исследованиях поведения у психологов англо-американской школы с 20-х по крайней мере до 50-х и 60-х годов, гораздо более перспективным традициям других европейских школ, особенно тем, что создавались некоторыми учениками и последователями Павлова в Советском Союзе, зачастую в обстановке жесткого идеологического давления. В частности, нейрофизиолог Петр Анохин (чья научная деятельность пришлась на период от большевистской революции до его смерти в 1974 году) настойчиво подчеркивал необходимость рассматривать работу мозга как функциональной системы в ее непрерывном комплексном взаимодействии с окружающей средой [19]. Ученики Анохина уже давно разработали методы одновременной регистрации нейронной активности в различных отделах мозга у животных (преимущественно кроликов), настолько свободных в своем повседневном поведении, насколько это возможно в условиях лаборатории. По меньшей мере одновременно с О'Кифом и Нейдл (если не раньше) они обнаружили во многих отделах мозга клетки, активные тогда и только тогда, когда кролик находится в определенном месте и выполняет определенные действия. Одна из учениц Анохина, нейрофизиолог Ольга Виноградова, даже описала ДВП и дала интерпретацию этого явления [20].
Эти работы прошли и до сих пор остаются в значительной части незамеченными на Западе. Причины этого весьма поучительны. Во-первых, большинство материалов издано в России, где практика и стандарты научной публикации часто не соответствуют западным нормам, и на русском языке, что ограничивает их доступность для ученых других стран, которые все больше и больше теряют способность читать на иных языках, кроме английского, вследствие культурного и технического доминирования сначала британской, а потом американской науки, начавшегося в 1930-е годы. Во-вторых, для развития науки в США в послевоенном периоде весьма характерен так называемый «синдром ИНЗ». Изобретено не здесь - эта формулировка символизирует род научного шовинизма, склонности игнорировать или преуменьшать ценность всего, что делается за пределами США; если вы получили подготовку не в США, то лучшее, на что вы могли рассчитывать, - это попасть в один из очень немногих европейских, японских или австралийских институтов, престиж которых признавался вашими коллегами из США. В-третьих, советские исследования часто выполнены на значительно менее совершенном научном оборудовании, чем в западных лабораториях, и потому не воспринимаются как проведенные на должном методическом уровне. В-четвертых (и это, пожалуй, самое важное), до последнего короткого не-марксистского периода психология и нейрофизиология в Советском Союзе развивалась в рамках особой философской традиции, которая нарочито противопоставляла диалектическое понимание взаимосвязи между сознанием и мозгом механистическому редукционизму, преобладавшему в англо-американской науке [21]. В атмосфере подозрительности, свойственной периоду культурной холодной войны, и наивной веры, что приверженность редукционистской доктрине обеспечивает идеологическую свободу [22], исследования советских ученых легко квалифицировать как «тенденциозные». По мере того как становится все более очевидной теоретическая ограниченность наивного редукционизма (во всяком случае в нейронауках), а подозрительность времен холодной войны уходит в историю, настало время, чтобы автономная советская традиция в нейрофизиологии и психологии снова вошла в более интегрированную и универсальную нейронауку.
Биохимический механизм ДВП
После того как с изумительной точностью были картированы нейрофизиологические параметры ДВП, внимание сосредоточилось на его клеточных механизмах. Поскольку ДВП представляет собой целиком физиологически индуцируемую реакцию и в этом смысле может считаться искусственным феноменом, некоторые из критериев памяти, сформулированных в начале этой главы, в данном случае несостоятельны. Интерес представляют клеточные процессы инициирования и поддержания ДВП, а также последствия их подавления. К тому же чем больше становится отделов мозга, в которых обнаруживают ДВП-подобные эффекты, тем важнее знать, что такое ДВП - единый процесс или ряд различных, хотя и сходных, явлений. Иными словами, одинаков ли механизм инициации и поддержания ДВП в различных отделах мозга?
ДВП - это постсинаптический эффект, т. е. он развивается в нейроне в результате поступления внешнего сигнала от другого нейрона, образующего на нем синапс. Одна из первоочередных задач состояла в идентификации нейромедиатора, передающего этот сигнал. Вскоре было установлено, что такой ключевой молекулой служит глутаминовая кислота (глутамат) - аминокислота, хорошо известная как один из самых обычных возбуждающих медиаторов головного мозга, которая в больших количествах содержится в нейронах. Подобно всем медиаторам, глутамат высвобождается из пресинаптического окончания, когда туда приходят по аксону нервные импульсы. Аннет Долфин, работавшая с Тимом Блиссом, показала, что при стимуляции перфорантного пути in vivo усиливается высвобождение глутамата в гиппокампе. Биохимические механизмы этого процесса были довольно подробно исследованы Мариной Линч. Глутамат выделяется с пресинаптической стороны синапса между приходящим сюда волокном перфорантного нерва и нейроном гиппокампа. Исходя из этих данных, Линч и Блисс утверждали (как ранее Кэндел в случае серотонина у аплизий), что для ДВП важное значение имеет пресинаптическая пластичность, а постсинаптическая клетка просто реагирует надлежащим образом на более сильную стимуляцию глутаматом.
Но в биологии все непросто. Глутамат - всего лишь один из многих десятков медиаторов, и он взаимодействует с постсинаптической клеткой несколькими различными способами. Существует по меньшей мере три разных типа постсинаптических рецепторов глутамата; их распределение между чувствительными к этому веществу клетками различно, у них разные фармакологические свойства, и каждый из них вызывает специфическую постсинаптическую реакцию. Таким образом, хотя рецепторы всех трех типов взаимодействуют с глутаматом, некоторые из них реагируют и с другими химически сходными молекулами, а есть и рецепторы с иными формами специфичности. Один из классов рецепторов для глутамата известен как NMDA-рецепторы, поскольку действие глутамата на них можно имитировать инъекцией сходного с ним соединения N-метил-D-аспарагиновой кислоты. Введение веществ, специфически связываемых NMDA-рецепторами, блокирует индукцию ДВП, но не подавляет уже развившуюся потенциацию. Препараты, реагирующие с другими типами рецепторов глутамата, не обладают таким действием. Поэтому можно заключить, что рецепторы NMDA-типа играют важную роль в инициировании ДВП. В отличие от группы Блисса другие лаборатории продемонстрировали увеличение количества этих рецепторов на нейронах гиппокампа после индукции ДВП, что переместило центр интереса с пресинаптических механизмов на постсинаптические.
Каким образом усиление секреции глутамата или увеличение количества взаимодействующих с ним рецепторов вызывает последующие пре- и постсинаптические изменения? Как и у аплизий, ключевую роль здесь играют ионы кальция. Если концентрация кальция в инкубационной среде для срезов гиппокампа возрастает, индукция ДВП облегчается, тогда как после удаления кальция вызвать ДВП не удается. Введение в постсинаптическую клетку молекул, связывающих ионы кальция и выводящих их из раствора, тоже блокирует ДВП. Это позволило Гэри Линчу1, работающему в Ирвине (Калифорния), предположить, что ДВП инициируется каким-то процессом, включающим усиленное поглощение кальция постсинаптической клеткой. По мере появления новых данных модель Линча обогащалась деталями, но в ее раннем варианте, который он разработал вместе со своим давним сотрудником Мишелем Бодри [24], предполагаемое действие кальция состояло в активации фермента на постсинаптической стороне, разрушающего белки.
*1) Двое Линчей, Марина и Гэри, насколько им самим известно, не родственники; помимо разной национальности (она ирландка, а он из Калифорнии), их разделяют и убеждения: первая «пресинаптистка», а второй «постсинаптист».
Согласно этой модели, активированный фермент действовал на уровне синаптической мембраны, где в результате возрастало количество доступных связывающих участков NMDA-рецепторов, которые до того оставались погруженными в поверхностный слой мембраны и потому неактивными. А большее число связывающих участков означало повышенную чувствительность постсинаптической клетки к глутамату и, следовательно, большую вероятность ее возбуждения.
Между тем известны многообразные внутриклеточные эффекты кальция, поэтому возможны и другие пути его воздействия на синаптическую мембрану. К наиболее важным молекулярным компонентам мембраны относятся различные белки, способные обратимо присоединять фосфатные группы. При связывании фосфата (этот процесс называется фосфорилированием) форма белка изменяется, что может приводить к закрытию или открытию каналов, пронизывающих всю толщу мембраны от ее наружной поверхности до внутренней. Эти каналы обусловливают проницаемость мембраны для ионов или молекул, которые могут проникать в клетку и действовать как сигналы для инициации биохимических каскадов, что в конечном итоге приводит к синтезу новых компонентов синаптической мембраны и тем самым к перестройке синапса. В следующей главе я расскажу, как это происходит. Фосфорилированию подвержены многие мембранные белки, постсинаптические и пресинаптические, а ферменты, катализирующие этот процесс, носят общее название протеинкиназ. Одна из них специфически активируется кальцием (и потому ее также сокращенно обозначают Са-ПК). В конце восьмидесятых годов благодаря работам нескольких лабораторий стало ясно, что вещества, подавляющие активность этого фермента, блокируют и ДВП. В связи с этим пришлось пересмотреть модели механизмов ДВП и включить в них эффект, опосредуемый через фосфорилирование специфических пре- и постсинаптических мембранных белков [25]. Хотя еще в полном разгаре споры о том, что важнее - пре- или постсинаптические изменения, не исключено (как это нередко, хотя и не всегда, бывает в науке), что в чем-то правы оба лагеря. Механизмы памяти скорее всего связаны с изменениями по обе стороны синапса.