В поисках идеального объекта для изучения памяти
До открытий Бренды Милнер многие бихевиористы и некоторые когнитивные психологи по примеру Фрейда и Скиннера отказались от услуг биологии в исследованиях обучения и памяти. Они поступили так не потому, что были дуалистами, как Декарт, просто они считали, что биология в ближайшем будущем едва ли сыграет ощутимую роль в исследовании механизмов обучения. Более того, под влиянием работ Лешли они склонялись к мысли, что биология обучения вообще непостижима. В 1950 году, ближе к концу своей научной карьеры, Лешли писал: «Когда я смотрю на имеющиеся данные о местоположении следов памяти, у меня иногда возникает ощущение, что необходимый вывод состоял бы в том, что обучение просто невозможно » (курсив мой. — Э. К)..
Работы Бренды Милнер в корне изменили ситуацию. Ее открытие того, что определенные участки мозга необходимы для работы некоторых форм памяти, давало первые сведения о том, где обрабатываются и хранятся различные воспоминания. Но вопрос, как хранится память, оставался без ответа, и я им увлекся. Хотя я обладал лишь самой базовой подготовкой для механизмов хранения памяти в нервной системе, я очень хотел попробовать свои силы а атмосфера Национальных институтов здоровья располагала к некоторой смелости. Повсюду проводились исследования спинного мозга на клеточном уровне, посвященные разным проблемам, впервые намеченным Шеррингтоном. Рано или поздно клеточные исследования памяти должны были дать ответ на ряд ключевых вопросов. Какие изменения происходят у нас в мозгу в процессе обучения? Различаются ли изменения, задействованные в разных типах обучения? Каковы биохимические механизмы работы памяти? Все эти вопросы вертелись у меня в голове, но из них было непросто вывести осмысленные эксперименты.
Я хотел начать с того, на чем остановилась Бренда Милнер, взяться за самый сложный и интересный аспект — формирование долговременной памяти на людей, места и предметы, которого, как она выяснила, не происходило у Г. М. Поэтому я надеялся сосредоточиться на гиппокампе, который, как показали исследования Милнер, был необходим для формирования долговременной памяти. Но мои представления о том, как подступиться к биологическим механизмам памяти, работающим в гиппокампе, были не только смутными, но и наивными.
Для начала я задался простым вопросом: обладают ли нервные клетки, участвующие в хранении памяти, какими-то легко узнаваемыми отличительными признаками? Отличаются ли физиологически нервные клетки гиппокампа, предположительно играющие ключевую роль в работе памяти, от мотонейронов спинного мозга — единственных других хорошо изученных нейронов центральной нервной системы млекопитающих? Я думал, что свойства нейронов гиппокампа могут что-то сказать нам о том, как записывается память.
Когда я брался за это технически непростое исследование, мне прибавляло смелости осознание того, что Карл франк, работавший в соседней лаборатории, и Джон Экклс в Австралии уже использовали микроэлектроды для изучения отдельных нейронов в спинном мозгу кошек. Это были точно такие же электроды, как те, что я использовал, когда прислушивался к клеткам рака. Хотя сам Франк считал, что исследование гиппокампа — дело непростое и рискованное, он не пытался меня отговорить. У Маршалла была только одна лаборатория и два постдока, Джек Бринли и я. Джек получил медицинское образование в Мичиганском университете и начал работать над диссертацией по биофизике в Университете Джонса Хопкинса перед самым своим переходом в Национальные институты здоровья. Он планировал посвятить диссертацию движению ионов калия через мембрану нейронов вегетативной нервной системы. Поскольку Уэйду нравилась кора головного мозга, Джек немного видоизменил свою тему и занялся изучением движения калия через кору в ответ на распространение депрессии коры — искусственное развитие припадка, которым уже несколько лет интересовался Маршалл. Это был совсем неплохой предмет для исследования, но у меня он не вызывал интереса. Джек, в свою очередь, питал те же чувства к гиппокампу. Поэтому мы пришли к компромиссу и решили, что будем работать в одной лаборатории, и половину времени ею будет пользоваться он, а я буду ему помогать, а вторую половину — наоборот.
Эта договоренность неплохо работала, пока Маршалл внезапно не подбросил нам третьего человека — еще одного постдока, Олдена Спенсера, который только что окончил Медицинскую школу Орегонского университета. Мысль о том, что теперь нашу лабораторию придется делить между тремя независимыми проектами и у каждого останется еще меньше лабораторного времени для собственных исследований, крайне встревожила и меня, и Джека. Мы изо всех сил старались убедить Олдена присоединиться к одному из нас.
К счастью для меня, убедить Олдена, что нам вместе стоит заниматься гиппокампом, оказалось довольно просто. Этим успехом, как я впоследствии понял, я был отчасти обязан тому, что Олден с самого начала категорически не хотел присоединяться к проекту Джека, который предполагал использование радиоактивного изотопа калия. Олден был немного ипохондриком и смертельно боялся радиации.
С приходом Олдена мои исследования приняли весьма удачный оборот. Олден родился в Портленде и был человеком либеральных убеждений в лучших орегонских традициях независимого мышления, основанного скорее на моральных, чем на узкополитических соображениях (рис. 9–1). Отец Олдена, вечный студент, одновременно вольнодумец и религиозный человек, во время Первой мировой войны отказник по убеждениям, был призван в нестроевые части. После войны он пошел в семинарию в Британской Колумбии и некоторое время служил пастором в небольшой церкви. Затем вернулся в Стэнфордский университет, где учился математике и статистике, и впоследствии работал статистиком на гражданской службе в Орегоне.
9–1. Олден Спенсер (1931–1977), с которым мне довелось сотрудничать с 1958 по 1960 год в Национальном институте психического здоровья и который впоследствии работал вместе со мной в Медицинской школе Нью-Йоркского университета и в Колумбийском университете. Олден внес немалый вклад в изучение работы гиппокампа, изменения простых рефлекторных реакций в результате обучения и восприятия осязания. (Фото из архива Эрика Канделя).
Олден сильно расширил мои упрощенные представления о жизни за пределами Восточного побережья. Он был человеком весьма независимым, с оригинальным складом ума, большим интересом к музыке и искусству и восторженным интересом к жизни, благодаря которому общаться с ним всегда было радостно. Он постоянно находил что-то новое в большинстве происходивших с ним событий, будь то лекция, концерт или теннисный матч. Склонность к творчеству переполняла его и так легко проявлялась во всем, что он постоянно обращался к новым занятиям, с головой погружаясь в каждое следующее дело. Кроме того, у него были неплохие музыкальные способности, и он некоторое время играл на кларнете в Портлендском симфоническом оркестре. Его жена, Диана, была прекрасной пианисткой. Вдобавок ко всему Олден был необычайно скромен и проявлял все свои творческие наклонности без малейших претензий. Мы с Дениз вскоре очень подружились с ним и Дианой и регулярно ходили вчетвером на еженедельные концерты камерной музыки библиотеки Конгресса, на которых выступал прославленный Будапештский квартет.
В числе многих талантов Олдена были и способности хирурга, а также прекрасные представления об анатомическом устройстве мозга и чутье на научно значимые проблемы. Хотя ему еще не доводилось заниматься внутриклеточной регистрацией потенциалов, он провел несколько отличных электрофизиологических исследований головного мозга, изучая, какой вклад вносят проводящие пути, соединяющие таламус и кору, в различные мозговые ритмы, проявляющиеся на ЭЭГ (электроэнцефалограммах). Работать с ним было одно удовольствие. Мы без конца говорили о науке и добавляли друг другу смелости. Если мы решали, что что-то важно сделать, то брались за сколь угодно трудные задачи, например пытались регистрировать потенциал отдельных нейронов коры в неповрежденном мозгу.
Вскоре после начала нашей совместной работы мы провели первый успешный эксперимент. Я никогда его не забуду. Все утро и часть дня я работал над хирургической операцией, которая позволила обнажить гиппокамп кошки. После этого за дело взялся Олден, который вводил в гиппокамп отводящий электрод. Я сидел перед осциллографом — прибором, выводящим на экран электрические сигналы, — и управлял стимуляторами, которые могли активировать проводящие пути, входящие в гиппокамп и выходящие из него. Отводящий электрод я подсоединил к репродуктору, как уже делал в лаборатории Стэнли Крейна, чтобы электрические сигналы, которые мы могли получить, было не только видно, но и слышно. Мы пытались тогда регистрировать мембранный потенциал пирамидальных клеток — одной из главных разновидностей нейронов в гиппокампе. Эти клетки получают и обрабатывают информацию, поступающую в гиппокамп, и передают ее дальше, к следующему ретранслятору. Мы также установили фотоаппарат, чтобы фотографировать экран осциллографа.
Внезапно мы услышали «бах-бах-бах» потенциалов действия — звук, который я сразу узнал, помня его по своим экспериментам на раке. Олден ввел электрод в клетку. Мы быстро поняли, что это была пирамидальная клетка, потому что аксоны этих нейронов собираются в проводящий путь (так называемый свод мозга), ведущий наружу из гиппокампа, а именно на этом пути я и разместил свои электроды. Каждый раз, когда я включал электрическую стимуляцию, она вызывала прекрасный, большой потенциал действия. Этот метод стимуляции выходящего аксона, запускающий потенциалы действия в пирамидальных клетках, оказался действенным способом выявления этих клеток. У нас также получилось возбуждать их, стимулируя проводящий путь, который передает информацию внутрь гиппокампа. В результате за те примерно десять минут, что мы регистрировали сигналы пирамидальных клеток, нами был получен впечатляющий объем данных. При этом мы непрерывно фотографировали, чтобы каждый момент регистрации, каждый синаптический потенциал и каждый потенциал действия в пирамидальных клетках был запечатлен на пленке.
Мы с Олденом были в полном восторге: нам удалось впервые внутриклеточно записать сигналы из участка мозга, сохраняющего наши самые драгоценные воспоминания! Мы чуть не плясали в лаборатории. Нам удалось всего лишь успешно регистрировать в течение нескольких минут потенциал, но это было оправданием наших самых смелых надежд. Кроме того, мы, похоже, получили интересные данные, которые немного отличались от полученных Экклсом и Франком для мотонейронов спинного мозга.
Этот эксперимент и последовавшие за ним были тяжелы физически и иногда длились по двадцать четыре часа. Нам повезло, что мы оба только что окончили медицинскую интернатуру, где работа сутками не была редкостью. Мы проводили по три эксперимента в неделю и использовали два промежуточных дня (нередко лишь частично, потому что лаборатория была нужна Джеку) для анализа данных, обсуждения результатов и просто разговоров. Многие эксперименты нам не удавались, но в итоге мы придумали некоторые простые технические новшества, которые позволили нам получать высококачественные записи один или два раза в неделю.
Применив эффективные методы клеточной биологии для изучения гиппокампа, мы с Олденом без особого труда получили некоторые результаты, лежавшие на поверхности. В частности, мы выяснили, что, в отличие от мотонейронов, нейроны одной из имеющихся в гиппокампе разновидностей запускают потенциалы действия спонтанно, даже не получая указаний от сенсорных или каких-то других нейронов. Что еще интереснее, мы выяснили, что потенциалы действия в пирамидальных клетках гиппокампа возникают в пределах клетки в нескольких местах. В мотонейронах потенциалы действия вызываются только у основания аксона, где он отходит от тела клетки. Мы получили неплохие данные, судя по которым потенциалы действия в пирамидальных клетках гиппокампа могут начинаться также в дендритах и что они способны вызываться в ответ на стимуляцию перфорантного пути — прямого синаптического входа, ведущего к пирамидальным клеткам из участка коры, называемого энторинальной корой.
Открытие оказалось важным. До него нейробиологи, в том числе Доминик Пурпура и Гарри Грундфест, считали, что дендриты не могут возбуждаться, следовательно, не могут и вызывать потенциалы действия. Уилфрид Ролл, ведущий теоретик и разработчик моделей, работавший в Национальных институтах здоровья, ранее предложил математическую модель, описывающую работу дендритов мотонейронов. Эта модель была основана на принципиальном предположении, что клеточная мембрана дендритов пассивна: она не содержит потенциал-зависимых натриевых каналов и потому не может обеспечивать потенциалы действия. Зарегистрированные нами внутриклеточным способом сигналы стали первыми свидетельствами обратного, и впоследствии было доказано, что наше открытие соответствует общему принципу работы нейронов.
Благодаря успеху наших методов и этим интригующим результатам нас стали всячески ободрять и не скупясь хвалить наши старшие коллеги из Институтов здоровья. Джон Экклс, который уже стал ведущим специалистом по клеточной физиологии мозга млекопитающих, зашел к нам во время своего визита в Институты здоровья и щедро поделился своими мыслями по поводу нашей работы. Он также пригласил нас с Олденом в Австралию, чтобы под его руководством продолжить работу с гиппокампом, и лишь после долгих колебаний мы отказались. Уэйд Маршалл попросил меня провести семинар в Национальном институте психического здоровья, чтобы подвести предварительный итог нашей с Олденом работы, что я и сделал. Семинар прошел в переполненном конференц-зале и имел успех. Но даже в минуты предельного опьянения успехом мы понимали, что в Институтах здоровья такие истории в порядке вещей. Молодым, неопытным людям давали возможность самим испытать свои силы, зная, что, к чему бы они ни обратились, вокруг всегда будут опытные люди, готовые помочь.
Однако это время не было совсем уж безоблачным. Вскоре после того, как я начал работать у Маршалла, в соседнюю лабораторию пришел другой молодой ученый — Феликс Штрумвассер. В отличие от остальных молодых научных сотрудников, которые были докторами медицины, Феликс получил степень доктора философии по нейрофизиологии в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. Большинство из нас знало о нейробиологии сравнительно мало, Феликс же знал необычайно много. Мы с ним подружились и ходили друг и другу в гости ужинать. Я многому у него научился. Надо сказать, что разговоры с Феликсом помогли мне разобраться в том, как подступиться к изучению нейробиологических основ обучения. Также благодаря Феликсу я заинтересовался гипоталамусом — участком мозге, ответственным за проявление эмоций и секрецию гормонов. Гипоталамус в то время уже всерьез фигурировал в обсуждениях клинических вопросов, связанных с лечением стресса и психической депрессии.
Поэтому я был неприятно поражен и обижен, когда на следующий день после моего семинара о нашей работе Феликс перестал со мной разговаривать. Я не мог понять, что произошло. Лишь со временем я осознал, что в науке хватает не только страстного увлечения идеями, но также амбиций и конкуренции людей, находящихся на разных этапах своей научной карьеры. Много лет спустя Феликс возобновил нашу дружбу и объяснил мне, что был крайне раздосадован тем, что двое сравнительно неопытных ученых (некомпетентных, как ему казалось) сумели получить интересные и важные экспериментальные результаты.
Считается, что новичкам везет, но когда ослепление, вызванное нашими первыми успехами, прошло, мы с Олденом осознали, что, как ни интересны были наши результаты, они уводили нас в сторону от изучения памяти. По сути, мы установили, что свойства нейронов гиппокампа недостаточно отличаются от свойств мотонейронов спинного мозга, чтобы объяснить способность гиппокампа сохранять воспоминания. У нас ушел год на осознание того, что нужно было понять с самого начала: клеточные механизмы обучения и памяти кроются не в особых свойствах самого нейрона, а в связях, которые он образует с другими клетками нейронной цепи, в состав которой входит. Когда, читая литературу и обсуждая эти вопросы друг с другом, мы научились глубже мыслить о биологических механизмах обучения и памяти, мы пришли к выводу, что роль гиппокампа работе памяти должно обеспечивать что-то другое — возможно, природа получаемой им информации, характер взаимосвязей его клеток и влияние обучения на эту систему нейронных цепей к передаваемую ей информацию.
Это изменение образа наших мыслей заставило нас изменить и свой экспериментальный подход. Чтобы разобраться в том, какую роль нейронные цепи гиппокампа играют в работе памяти, нам нужно было узнать, как сенсорная информация достигает гиппокампа, что там с ней происходит и куда она поступает после выхода. Очень трудная задача, ведь на тот момент почти ничего не было известно о том, как сенсорные сигналы достигают гиппокампа и как гиппокамп посылает информацию в другие области мозга.
Поэтому мы провели ряд экспериментов, чтобы изучить, как различные сенсорные раздражители (осязательные, слуховые и зрительные) влияют на картину потенциалов действия пирамидальных нейронов гиппокампа. Мы наблюдали лишь нерегулярные вялые реакции — ничего общего с теми бодрыми реакциями, о которых сообщали другие исследователи, изучавшие нейронные пути соматосенсорной, слуховой и зрительной коры. Наша последняя попытка разобраться в том, как гиппокамп может участвовать в работе памяти, состояла в изучении свойств синапсов, образуемых входящими аксонами перфорантного пути на нейронах гиппокампа. Мы периодически стимулировали эти аксоны с частотой десять импульсов в секунду и отметили увеличение синаптической силы, продолжавшееся примерно от 10 до 15 секунд. Затем мы стимулировал их с частотой от шестидесяти до ста импульсов в секунду и вызвали эпилептический припадок. Это были интересные результаты, но совсем не те, что мы искали!
Когда мы лучше разобрались в гиппокампе, поняли что задача узнать, как его нейронные сети обрабатывают запоминаемую информацию и как они меняются в процессе обучения и сохранения воспоминаний, чрезвычайно сложна и ее решение потребует очень долгого времени.
Гиппокамп поначалу привлекал меня в связи с интересом к психоанализу, подвигшим меня взяться за изучение биологии памяти в ее самой сложной и интригующей форме. Но мне стало ясно, что редукционистская стратегия, которую использовали Ходжкин, Кац и Куффлер в своих исследованиях потенциала действия и синаптической передачи, применима и к изучению памяти. Чтобы сделать какие-то ощутимые шаги в сторону понимания механизмов памяти, желательно было, по крайней мере для начала, исследовать простейшие примеры работы памяти и изучить их у животных с самой что ни на есть простой нервной системой, чтобы можно было проследить весь путь информации от сенсорного входа до моторного выхода. Поэтому я занялся поиском подопытного животного, видимо, беспозвоночного, например червя, мухи или улитки, у которого простые, но подверженные изменениям формы поведения управлялись бы простыми нейронными цепями, состоящими из небольшого числа клеток.
Но какого животного? Здесь наши с Олденом пути разошлись. Он был предан нейрофизиологии млекопитающих и хотел продолжать работу с их головным мозгом. Он понимал, что можно многое узнать, изучая беспозвоночных, но считал, что их нервная система устроена принципиально иначе, чем у позвоночных, и ему будет неинтересно с ними работать. Кроме того, компоненты нервной системы позвоночных были уже хорошо описаны. Решения биологических проблем, относящихся и ко всему остальному животному миру, вызывали у него интерес и восторг, но если они не имели отношения к мозгу позвоночных, человеческому мозгу, они не стоили его усилий. Поэтому Олден обратился к работе с одной из простых подсистем спинного мозга кошки и стал изучать спинномозговые рефлексы, которые видоизменяются в процессе обучения. За следующие пять лет Олден внес немалый вклад в исследование этой области, работая совместно с физиологом Ричардом Томпсоном. Однако даже сравнительно простые рефлекторные дуги спинного мозга оказались слишком сложными для подробного анализа механизмов обучения на клеточном уровне, и в 1965 году Олден отошел от работы со спинным мозгом и обучением и занялся исследованиями в других областях.
Хотя это и означало плыть против течения научной мысли того времени, я стремился применить в изучении биологии поведения и работы памяти более радикальный, редукционистский подход. Я был убежден, что биологические основы обучения для начала нужно исследовать на уровне отдельных клеток, а кроме того, что такой подход имеет наибольшие шансы на успех, если использовать его, сосредоточившись на простейших формах поведения какого-нибудь простого животного. Много лет спустя Сидней Бреннер, первопроходец в области молекулярной генетики, благодаря которому биологи стали работать с червем Caenorhabditis elegans, писал: «Вот что нужно делать: найти наилучшую систему для экспериментального решения проблемы, и, если эта проблема достаточно общего свойства, там и найдется решение. Выбор объекта для экспериментов остается одной из важнейших практических задач в биологии и, я думаю, одним из прекрасных способов сделать в ней что-то новое. <…> Разнообразие живой природы столь велико, а все организмы как-то связаны между собой так давайте найдем наилучший из них».
Однако в пятидесятых-шестидесятых годах большинство биологов разделяло нежелание Олдена применять строго редукционистскую стратегию для исследования поведения потому что они считали, что полученные результаты не будут иметь никакого отношения к поведению человека. У людей есть психические способности, которые не встречаются у более простых животных, и биологи полагали, что нервная система человека должна быть функционально устроена иначе, нежели нервная система простых животных. Хотя в этом представлении и есть рациональное зерно, я считал, что оно пренебрегает тем фактом (убедительно продемонстрированным в работах этологов, таких как Конрад Лоренц, Нико Тинберген и Карл фон Фриш), что отдельные элементарные формы обучения свойственны всем животным. Мне казалось вероятным, что в ходе эволюции люди сохранили некоторые из клеточных механизмов обучения и работы памяти, которые встречаются у более простых животных.
Неудивительно, что от использования этой исследовательской стратегии меня отговаривали несколько ведущих нейробиологов, в том числе Экклс. Его возражения отчасти отражали существовавшую в нейробиологии того времени иерархию приемлемых исследовательских задач. Хотя некоторые ученые и занимались поведением беспозвоночных, их работу не считали чем-то важным (более того, во многом игнорировали) большинство ученых, работавших с мозгом млекопитающих. Еще более серьезным возражением для меня было скептическое отношение компетентных психологов и психоаналитиков к возможности узнать что-то интересное о психических явлениях высшего порядка, таких как обучение и память, сосредоточившись на отдельных нервных клетках, тем более на клетках беспозвоночного. И все же я принял решение. Единственный оставшийся без ответа вопрос состоял в том, какое беспозвоночное лучше всего подходит для исследования обучения и памяти на клеточном уровне.
В Национальных институтах здоровья были прекрасные условия не только для того, чтобы проводить собственные исследования, но и чтобы быть в курсе последних достижений биологии. В течение каждого года большинство выдающихся ученых, занимавшихся мозгом, хоть раз появлялись в кампусе институтов. В результате у меня была возможность говорить со многими людьми и посещать семинары, на которых я узнавал о достоинствах различных беспозвоночных животных (таких как раки, омары, пчелы, мухи, наземные улитки и круглые черви аскариды) в качестве экспериментальных объектов.
Я хорошо помнил описанные Куффлером достоинства сенсорных нейронов раков как объекта для изучения свойств дендритов. Но я решил, что раки мне не подходят: хотя у них есть несколько очень крупных аксонов, тела их нейронов не слишком велики. Я хотел выбрать животное, у которого был бы какой-нибудь простой рефлекс, способный видоизменяться в результате обучения и управляемый небольшим числом крупных нейронов, весь проводящий путь которых, от входа до выхода, можно было бы проследить. Это позволило бы мне искать связи между изменениями рефлекса и изменениями, происходящими в нейронах.
После почти шести месяцев усердных размышлений о том, какое животное подойдет для исследований, я остановился на аплизии — крупном морском брюхоногом моллюске. На меня произвели большое впечатление две лекции о нем. Одну из них читала Анжелика Арванитаки-Халазонитис, уже пожилая дама и очень крупный ученый. Именно она открыла аплизию как удобный объект для исследования сигнальных свойств нейронов. Другую лекцию читал Ладислав Тауц, молодой человек, открывший новое биофизическое направление в исследовании механизма работы нейронов.
Первое упоминание аплизии содержится в энциклопедическом труде Плиния Старшего «Естественная история», написанном в I веке н. э. Во II веке она была вновь упомянута Галеном. Эти античные ученые называли аплизию lepus marinus, то есть морской заяц, потому что когда она, сжавшись, сидит неподвижно, она напоминает зайца. Когда я начал работать с аплизией, я обнаружил (далеко не первым), что, если ее потревожить, она обильно выделяет пурпурную «чернильную» жидкость. Бытовало мнение, что эта жидкость и есть тирский пурпур, которым окрашивали тоги римских императоров. (На самом деле тирский пурпур выделяют другие морские брюхоногие — иглянки). В связи со склонностью аплизии так щедро выделять пурпурную жидкость некоторые античные естествоиспытатели считали ее священным животным.
Американский вид аплизии, который живет у берегов Калифорнии (Aplysia californica) и изучению которого я посвятил внушительную часть своей научной карьеры, достигает более фута в длину и весит несколько фунтов (рис. 9–2). Его красновато-бурая окраска напоминает окраску водорослей, которыми он питается. Это большое, гордое, симпатичное и явно высокоинтеллектуальное животное — подходящий выбор для исследования механизмов обучения!
9–2. Aplysia californica — крупный морской моллюск. (Фото любезно предоставил Томас Тайкс).
Но аплизия привлекла мое внимание не своей биологией и красотой облика, а некоторыми другими свойствами, о которых Анжелика Арванитаки-Халазонитис и Ладислав Тауц говорили на лекциях, посвященных европейскому виду аплизии (A. depiIans). Они оба подчеркивали, что нервная система аплизии состоит из небольшого числа клеток — примерно 20 тыс., в то время как в нервной системе млекопитающих их порядка 100 млрд. Большинство этих клеток собрано в девять узлов, или ганглиев (рис. 9–3). Считалось, что каждый ганглий управляет несколькими простыми рефлексами, поэтому я полагал, что число клеток, ответственных за каждую простую форму поведения, скорее всего, невелико. Кроме того, некоторые из клеток аплизии относятся к самым крупным во всем животном мире, и в них сравнительно несложно вводить микроэлектроды для регистрации электрической активности. Пирамидальные клетки гиппокампа кошки, активность которых мы с Олденом регистрировали, относятся к самым крупным нервным клеткам в мозгу млекопитающего, но их диаметр составляет всего 20 микрон (1/1250 дюйма), и увидеть их можно только под микроскопом с хорошим увеличением. Некоторые клетки нервной системы аплизии в пятьдесят раз больше, и их можно увидеть невооруженным глазом.
9–3. Нервная система аплизии очень проста. Она состоит из 20 тыс. нейронов, собранных в девять отдельных узлов, или ганглиев. Поскольку в каждом ганглии содержится сравнительно немного клеток, исследователь способен выявлять простые формы поведения, которыми управляет каждый ганглий. После этого можно изучать изменения, происходящие в конкретных клетках, когда поведение моллюска изменяется в результате обучения.
Анжелика Арванитаки-Халазонитис обнаружила, что некоторые нервные клетки у аплизии индивидуально опознаваемы, то есть одни и те же клетки можно без труда зрительно опознать под микроскопом у всех без исключения аплизий. Со временем я понял, что точно так же обстоят дел а и с большинством других клеток нервной системы аплизии, что увеличивало шансы на успешное картирование всей системы нейронных цепей, управляющих какой-либо формой поведения. Впоследствии выяснилось, что система нейронных цепей, управляющих самыми элементарными рефлексами, довольно проста. Более того, я обнаружил, что стимуляция единственного нейрона часто вызывает большой синаптический потенциал в его клетке-мишени, а это верный признак и хороший показатель силы синаптической связи между двумя клетками. Большие синаптические потенциалы давали возможность клетка за клеткой картировать связи между нейронами и в итоге позволили мне впервые составить точную электросхему отдельной формы поведения.
Много лет спустя Чип Куинн, один из первых ученых, занявшихся генетикой обучения плодовой мушки, отметил, что идеальное подопытное животное для исследования биологии обучения должно иметь «не более трех генов, уметь играть на виолончели или хотя бы читать стихи на древнегреческом и обучаться этому с помощью нервной системы, содержащей только десять больших, по-разному окрашенных и поэтому легко опознаваемых нейронов». Мне не раз приходило в голову, что аплизия на удивление близка этим критериям.
В то время, когда я решил работать с аплизией, я еще ни разу не препарировал этого моллюска и не регистрировал электрическую активность его нейронов. Более того, никто в Соединенных Штатах не работал с аплизией. В 1959 году во всем мире аплизию изучали только два человека: Тауц и Арванитаки-Халазонитис. Оба работали во Франции: Тауц — в Париже, а Арванитаки-Халазонитис — в Марселе. Дениз, которая всегда была парижской шовинисткой, считала, что лучше выбрать Париж. Жить в Марселе, сказала она, было бы все равно, что жить в Олбани [20]вместо Нью-Йорка. Поэтому мой выбор был в пользу Тауца.
Прежде чем я покинул Национальные институты здоровья в мае 1960 года, я посетил Тауца, и мы договорились что я приеду к нему в сентябре 1962 года, как только окончу резидентуру по психиатрии в Гарвардской медицинской школе.
Когда в июне 1960 года я покидал Институты здоровья, мне было очень грустно, примерно так, как это было, когда я окончил среднюю школу Эразмус-холл. Я пришел новичком, а уходил скромным, но успешно работающим ученым. В институтах я научился не только словам, но и делам. Я понял, что мне это нравится, и довольно успешно делал то, за что взялся. Но я был искренне удивлен успехом. Долгое время я думал, что обязан им простой случайности, удаче, интересному и продуктивному сотрудничеству с Олденом, щедрой психологической поддержке Уэйда Маршалла и научной культуре институтов, ориентированной на молодежь. У меня были идеи, которые оказались полезными, но я думал, что мне просто повезло, как бывает с новичками. И я очень боялся, что запас идей иссякнет и я не задержусь в науке.
Эта неуверенность в своей способности производить новые идеи усугублялась еще и тем, что Джон Экклс и несколько других уважаемых мной ведущих ученых считали, что я совершаю большую ошибку, отказываясь от многообещающего начала в исследовании гиппокампа млекопитающих в пользу новой работы с беспозвоночным, поведение которого не было хорошо изучено. Но мне не давали остановиться три фактора. Во-первых, это был принцип биологических исследований Куффлера — Грундфеста: для исследования каждой биологической проблемы можно найти подходящий организм. Во-вторых, теперь я занимался клеточной биологией. Мне хотелось думать о том, как работают клетки во время обучения, тратить время на чтение, обдумывание и обсуждение идей с другими. Мне не хотелось вновь и вновь часами готовиться к эксперименту, как делали мы с Олденом, когда занимались гиппокампом, чтобы, если повезет, найти пригодную для исследований клетку. Мне нравилась идея работать с большими клетками, и, несмотря на сопряженный с ней риск, я был уверен, что аплизия — это подходящий объект и что в моем распоряжении есть средства для успешного исследования поведения этого моллюска.
И наконец, меня кое-чему научила женитьба на Дениз.
Я с сомнениями и опаской относился к женитьбе, даже на той, которую я любил больше, чем любую другую женщину, о браке с которой я когда-либо задумывался. Но Дениз была уверена, что наш брак будет счастливым, и я отбросил сомнения и поверил ей. Этот опыт научил меня тому, что бывает множество ситуаций, в которых мы не можем принимать решения на основании только сухих фактов, потому что фактов часто не хватает. В итоге нам приходится довериться своему бессознательному, инстинктам, творческому порыву. Я снова так и поступил, когда выбрал аплизию.
Нейронные аналоги обучения
В мае 1960 года, после непродолжительного визита в Париж к Ладиславу Тауцу, мы с Дениз отправились в Вену, чтобы я мог показать ей свой родной город. Я впервые возвращался туда после того, как уехал в апреле 1938-го. Мы прошлись по всей прекрасной Рингштрассе — главному проспекту, на котором стоят многие из самых важных общественных зданий города, такие как оперный театр, университет и парламент. Мы насладились Музеем истории искусств — пышным барочным зданием с прекрасной мраморной лестницей и превосходной коллекцией произведений искусства, начало которой было положено императорской семьей Габсбургов. Одну из главных прелестей этого замечательного музея составляет зал, в котором находятся картины Питера Брейгеля-старшего, изображающие времена года. Мы посетили также Верхний Бельведер с лучшей в мире коллекцией австрийских экспрессионистов — Климта, Кокошки и Шиле, трех современных художников, чьи образы навсегда запечатлены в сознании большинства венских ценителей искусства моего поколения.
И, главное, мы посетили квартиру в доме 8 по Северингассе, где жила раньше моя семья. Оказалось, там живет молодая женщина со своим мужем. Она разрешила нам войти и осмотреть квартиру. Несмотря на то что по закону эта квартира по-прежнему принадлежала моей семье, потому что мы ее не продавали, мне было неловко напоминать об этом милой женщине. Мы пробыли там совсем недолго, но достаточно, чтобы я успел удивиться, какой крошечной была эта квартира. Я помнил, что места там было довольно мало: гостиная и столовая (по которым много лет назад, в день рождения, когда мне исполнилось девять, я водил свою блестящую голубую машинку с дистанционным управлением), но меня поразило, какой маленькой была эта квартира на самом деле — обычное проявление обманчивости нашей памяти. Затем мы пошли на Шульгассе, чтобы посетить мою начальную школу, но оказалось, что на ее месте теперь находится какая-то правительственная организация. Дорога от дома до школы, которая запомнилась мне со школьных лет как довольно долгая, заняла у нас всего пять минут. Примерно столько же было идти до Кучкергассе, где был магазин отца.
Мы с Дениз стояли на противоположной стороне улицы перед магазином, и я показывал на него, когда какой-то человек постарше меня подошел и сказал: «Вы, наверное, сын Германа Канделя!»
Меня это потрясло. Я спросил, как он мог догадаться, ведь мой отец больше не возвращался в Вену, а я уехал оттуда еще ребенком. Он сказал, что живет через три дома отсюда, а затем очень просто ответил на мой вопрос: «Вы так на него похожи». Ни ему, ни мне не хватило смелости заговорить о случившемся за прошедшие годы, и теперь я жалею, что не сделал этого.
Поездка меня очень растрогала. Дениз было интересно, но впос