Полученный опыт изменяет синапсы

После того как мы установили, что нейронное устройство исследованной нами формы поведения неизменно, встал принципиальный вопрос: как форма поведения, управляемая строго определенной нейронной цепью, может изменяться в результате полученного опыта? Один вероятный ответ на этот вопрос предложил Кахаль, предположивший, что обучение может приводить к изменению силы синапсов между нейронами, тем самым усиливая связи между ними. Интересно, что Фрейд в «Проекте научной психологии» в общих чертах наметил нейронную модель психики, включающую подобный механизм обучения. Он постулировал, что в восприятии и работе памяти задействованы две разные группы нейронов. В нейронных цепях, обеспечивающих восприятие, синаптические связи постоянны, что обеспечивает постоянство воспринимаемого нами мира. В свою очередь, в нейронных цепях, обеспечивающих работу памяти, есть синаптические связи, сила которых изменяется в ходе обучения. Этот механизм составляет основу памяти и высших когнитивных функций.

Работы Павлова и бихевиористов, а также Бренды Милнер и когнитивных психологов привели меня к пониманию того, что при разных формах обучения возникают разные формы памяти. Поэтому я переформулировал идею Кахаля и использовал это новое представление как основу для разработки аналогов обучения у аплизии. Результаты исследования показали, что стимуляция разного характера приводит к разным изменениям синаптических связей. Но мы с Тауцем не исследовали, как изменяется настоящее поведение, и поэтому не имели доказательств того, что обучение действительно обеспечивают изменения синаптической силы.

Более того, сама идея, что синапсы могут изменяться в результате обучения и тем самым принимать участие в хранении памяти, отнюдь не была общепринятой. Через два десятилетия после того, как Кахаль сформулировал эту идею, выдающийся гарвардский физиолог Александер Форбс предположил, что память поддерживается динамическими, непрерывными изменениями в замкнутых самовозбуждающихся нейронных цепях. В подтверждение этой идеи Форбс приводил рисунок работы Рафаэля Лоренте де Но, ученика Кахаля, показывающий нейроны, связанные друг с другом в замкнутые проводящие пути. Эту идею далее разработал психолог Дональд Хебб в своей влиятельной книге 1949 года «Организация поведения: нейропсихологическая теория». Хебб доказывал, что такие ревербераторные цепи ответственны за кратковременную память.

Делиль Бернс, один из ведущих исследователей биологии коры головного мозга, тоже оспаривал представление о том, что физические изменения в синапсах могут служить средством хранения памяти: «Механизмы синаптического облегчения, предложенные в качестве претендентов на роль объяснения работы памяти, <…> не оправдали надежд. Прежде чем видеть в любом из них клеточные изменения, сопровождающие выработку условного рефлекса, пришлось бы сильно увеличить масштаб времени, в течение которого наблюдалась их работа. Неоднократно показанная неудовлетворительность синаптического облегчения как объяснения работы памяти заставляет задуматься о том, не может ли оказаться, что нейрофизиологи искали механизмы не того типа».

Некоторые ученые сомневались в самой возможности процесса обучения в пределах постоянных нейронных цепей. Они считали, что обучение должно быть частично или даже полностью независимым от заранее установленных проводящих путей. Этого мнения придерживались Лешли и некоторые представители влиятельного направления в когнитивной психологии раннего периода — гештальтпсихологии. Разновидность этой идеи сформулировал в 1965 году нейрофизиолог Росс Эйди. Он начал свои доводы с того, что «ни для одного нейрона в естественной или искусственной изоляции от других нейронов не была показана способность сохранять информацию, соответствующую обычным представлениям о памяти». Затем он доказывал, что электрический ток, проходящий пространство между нейронами, может передавать сигналы, роль которых «по меньшей мере эквивалентна потенциалам действия нейронов в передаче информации и, что еще важнее, в ее записи и считывании». Обучение представлялось Эйди и Лешли явлением совершенно таинственным.

После того как я и мои коллеги выявили нейронные цепи, лежащие в основе рефлекса втягивания жабр, и установили, что работа этих цепей может видоизменяться в ходе обучения, мы смогли задаться вопросом, справедливы ли какие-то из этих идей и если да, то какие. В 1970 году мы опубликовали в журнале Science серию из трех статей, и в первой была описана использованная нами исследовательская стратегия, которой мы руководствовались в своей работе на протяжении следующих трех десятков лет: «Для анализа нейронных механизмов обучения и аналогичных поведенческих изменений требуется животное, поведение которого может видоизменяться, а нервная система доступна для изучения на клеточном уровне. В этой и следующих двух статьях мы описываем результаты применения комбинированного поведенческого и клеточно-нейрофизиологического подхода для изучения морского моллюска аплизии с целью исследования поведенческого рефлекса, подверженного привыканию и снятию привыкания (сенсибилизации). Мы постепенно упрощали нейронную цепь, обеспечивающую это поведение, чтобы действие отдельных нейронов можно было соотносить со всем рефлексом. В результате теперь у нас имеется возможность изучать локализацию и механизмы этих поведенческих изменений».

В следующих статьях мы показали, что память не зависит от замкнутых самовозбуждающихся нейронных цепей. Мы установили, что в трех простых формах обучения, которые мы исследовали у аплизии, обучение приводит к изменениям в силе синаптических связей (а значит, и в эффективности взаимодействия) между определенными клетками в нейронной цепи, обеспечивающей эту поведенческую реакцию.

Наши данные говорили об этом однозначно и красноречиво. Мы определили анатомический и функциональный механизмы рефлекса втягивания жабр, регистрируя потенциалы отдельных сенсорных нейронов и мотонейронов. Мы обнаружили, что прикосновение к поверхности кожи вызывает активацию нескольких сенсорных нейронов, которые вместе производят большой сигнал (синаптический потенциал) в каждом из мотонейронов, вызывая запускание в них потенциалов действия. Эти потенциалы обеспечивают поведенческую реакцию — втягивание жабр. Можно было видеть, что при нормальных условиях сенсорные нейроны эффективно взаимодействуют с мотонейронами, посылая им соответствующий сигнал, обеспечивающий рефлекторное втягивание жабр.

Затем мы обратились к синаптическим связям между сенсорными нейронами и мотонейронами. Мы обнаружили, что в результате привыкания, вызываемого неоднократными прикосновениями к поверхности кожи, амплитуда рефлекса втягивания жабр постепенно уменьшается. Параллельно с этим изменением поведения наблюдалось постепенное ослабление синаптических связей. Из-за сенсибилизации, вызываемой ударом тока в переднюю или заднюю часть тела животного, происходило, напротив, усиление рефлекса втягивания жабр, сопровождавшееся и усилением синаптической связи. Из этого мы сделали вывод, что в ходе привыкания потенциалы действия сенсорного нейрона вызывают ослабление синаптического потенциала мотонейрона, приводя к снижению эффективности передачи сигналов, а при сенсибилизации потенциал действия сенсорного нейрона вызывает, напротив, усиление синаптического потенциала мотонейрона, приводя к повышению эффективности передачи сигналов.

В 1980 году мы сделали еще один шаг в использовании нашего редукционистского подхода, изучив, что происходит с синапсами в ходе выработки классического условного рефлекса. Для этой работы к нам с Кэрью присоединился Роберт Хокинс — проницательный молодой психолог из Стэнфордского университета. Хокинс родился в семье ученых, и ему не нужен был Нью-Йорк для расширения кругозора: он уже был страстным поклонником классической музыки и оперы. Будучи прекрасным спортсменом, в Стэнфорде он играл в университетской футбольной команде а затем сосредоточил свои спортивные увлечения на парусном спорте.

Мы убедились, что при выработке условного рефлекса нейронные сигналы, поступающие от безразличных (условных) и неприятных (безусловных) раздражителей, должны происходить в определенной последовательности. А именно — когда к сифону притрагиваются непосредственно перед ударом тока в заднюю часть тела, тем самым предсказывая этот удар, сенсорные нейроны запускают потенциал действия непосредственно перед тем, как к ним приходят сигналы от задней части тела. Это своевременное запускание потенциалов действия в сенсорных нейронах, за которым следует своевременное получение сигналов об ударе током, приводит к намного большему усилению синапса между сенсорным нейроном и мотонейроном, чем в случае, когда сигналы о прикосновении или об ударе током приходят отдельно, как при сенсибилизации.

Результаты этих исследований привыкания, сенсибилизации и выработки классического условного рефлекса заставили нас всерьез задуматься о том, как взаимодействие опыта с генетическими процессами и механизмами развития определяет структуру психической деятельности. Генетические процессы и механизмы развития устанавливают связи между нейронами, то есть определяют, какие нейроны с какими должны образовывать синаптические связи и когда это должно произойти. Но они не определяют силу этих связей. Сила (долговременная эффективность) синаптических связей регулируется опытом. Эта точка зрения предполагает, что потенциал многих форм поведения организма встроен в мозг и в соответствующей степени определяется генетикой и механизмами развития, однако окружающая среда и обучение изменяют эффективность работы заранее заданных проводящих путей, приводя к проявлению новых форм поведения. Результаты наших экспериментов с аплизией подтверждали эту точку зрения: в своих простейших формах обучение осуществляет выбор из широкого репертуара заранее заданных связей и изменяет силу определенного подмножества этих связей.

Обдумывая результаты, я невольно вспомнил о двух противоположных взглядах, господствовавших в философской мысли Запада начиная с xvii века, — эмпиризме и рационализме. Британский эмпирист Джон Локк доказывал, что мы не обладаем врожденными знаниями и наша психика вначале представляет собой чистый лист, постепенно заполняемый опытом. Все, что мы знаем о мире, есть результат обучения, поэтому чем чаще мы сталкиваемся с той или иной идеей и чем эффективнее ассоциируем ее с другими, тем продолжительнее ее воздействие на нашу психику. Иммануил Кант, немецкий философ-рационалист, утверждал обратное — что мы рождаемся с определенными встроенными шаблонами знаний. Эти шаблоны, которые Кант называл априорными знаниями, определяют восприятие и интерпретацию нашего сенсорного опыта.

Когда я выбирал между профессиями психоаналитика и биолога, я решил стать биологом, потому что психоанализ, как и предшествовавшая ему дисциплина, философия, рассматривает мозг как черный ящик, как нечто неведомое. Ни философия, ни психоанализ не могли разрешить спор между представлениями эмпиристов и рационалистов о психике, потому что для разрешения этого спора требовалось изучать непосредственно мозг. Именно этим мы теперь и занялись. Изучая рефлекс втягивания жабр у такого простого организма, мы убедились, что оба этих взгляда отчасти справедливы и на самом деле дополняют друг друга.

Анатомии нейронной цепи дает нам простой пример кантианских априорных знаний, в то время как изменения силы некоторых связей в этой цепи отражают действие опыта. Более того, в соответствии с представлением Локка о том, что повторение — мать учения, длительность действия многократного опыта составляет основу памяти.

Лешли и многим другим казалось, что исследовать механизмы сложного обучения невозможно, но изящная простота рефлекса втягивания жабр у моллюска позволила мне и моим коллегам применить экспериментальный подход к ряду вопросов философии и психоанализа, которые и привели меня в биологию. Я находил это одновременно поразительным и курьезным.

Наша третья публикация в журнале Science за 1970 год завершалась следующими замечаниями: «…Эти данные указывают на то, что и в привыкании, и в снятии привыкания (сенсибилизации) задействованы изменения функциональной эффективности уже существующих возбуждающих связей. Таким образом, по крайней мере в простых случаях <…> способность к видоизменениям поведения представляется непосредственно встроенной в нейронный механизм этого поведенческого рефлекса. И наконец, эти исследования подтверждают предположение <…> что анализ схемы проводящих путей, лежащих в основе определенной поведенческой реакции, является необходимым условием изучения видоизменений этой реакции. Более того, мы обнаружили, что, когда схема известна, изучение видоизменений данной поведенческой реакции сильно упрощается. Таким образом, хотя наше исследование относится лишь к довольно простым и кратковременным видоизменениям поведения, аналогичный подход, вероятно, может быть применен и к более сложным, а также к более продолжительным формам обучения».

Придерживаясь этого крайне редукционистского подхода, исследуя очень простой поведенческий рефлекс и простые формы обучения, определяя клетка за клеткой нейронную цепь, обеспечивающую этот рефлекс, а затем сосредоточив свое внимание на том, где в пределах цепи происходят изменения, мне удалось достичь той цели, которую в 1961 году в заявке на грант Национальных институтов здоровья я наметил для своей работы в перспективе. Мне удалось «поймать условно-рефлекторную реакцию в наименьшей возможной популяции нейронов» — в связях, возникающих между двумя клетками.

Итак, редукционистский подход позволил нам открыть несколько принципов клеточной биологии обучения и памяти. Во-первых, мы установили, что изменения синаптической силы, лежащие в основе обучения, связанного с поведенческой реакцией, могут быть достаточно сильными, чтобы перенастроить нейронную сеть и изменить ее способность к обработке информации. Например, один конкретный нейрон аплизии взаимодействует с восемью разными мотонейронами: пятью осуществляющими движение жабр и тремя вызывающими сокращение железы, которая производит чернильную жидкость и тем самым выделение этой жидкости. До обучения активация этого сенсорного нейрона вызывала умеренное возбуждение пяти иннервирующих жабры мотонейронов, из-за чего в них запускались потенциалы действия, и жабры сокращались. Активация этого сенсорного нейрона вызывала также возбуждение трех мотонейронов, иннервирующих чернильную железу, но слишком слабое, чтобы запустить потенциал действия и привести к выделению чернильной жидкости. Поэтому до обучения действие раздражителя на сифон вызывало реакцию втягивания жабр, но не реакцию выделения чернильной жидкости. Однако после сенсибилизации синаптическая связь между сенсорным нейроном и восемью мотонейронами усиливается, в результате чего в трех мотонейронах, иннервирующих чернильную железу, тоже запускаются потенциалы действия. Значит, после такого обучения раздражение сифона приводит как к выделению чернильной жидкости, так и к более сильному втягиванию жабр.

Во-вторых, в соответствии с переформулированной теорией Кахаля и результатами моих предшествующих работ с аналогами обучения мы обнаружили, что набор синаптических связей между двумя нейронами может видоизменяться двумя противоположными способами (усиливаться или ослабляться) под действием разных форм обучения. При этом привыкание ослабляет синапсы, а сенсибилизация и классический условный рефлекс их усиливают. Эти длительные изменения силы синаптических связей представляют собой клеточные механизмы, лежащие в основе обучения и кратковременной памяти. Кроме того, поскольку изменения происходят в нескольких участках нейронной цепи, обеспечивающей рефлекс втягивания жабр, память распределяется и записывается во всей цепи, а не в каком-то единственном особом ее участке.

В-третьих, мы установили, что во всех этих трех формах обучения продолжительность хранения кратковременной памяти зависит от длительности периода, в течение которого синапс остается ослабленным или усиленным.

В-четвертых, мы начинали понимать, что сила определенного химического синапса может изменяться одним из пары способов в зависимости от того, какая из двух нейронных цепей активируется в ходе обучения — основная, то есть собственная цепь безусловного рефлекса, или модуляторная. У аплизии основная цепь состоит из сенсорных нейронов, иннервирующих сифон, интернейронов и мотонейронов, управляющих рефлексом втягивания жабр, а модуляторная цепь — из сенсорных нейронов, иннервирующих заднюю часть тела, удаленную и от сифона, и от жабр. Когда активируются нейроны основной цепи, происходят гомосинаптические изменения силы связей. Это наблюдается при привыкании: в сенсорных нейронах и мотонейронах, управляющих рефлексом втягивания жабр, определенным образом неоднократно запускаются потенциалы действия, осуществляя непосредственную реакцию на неоднократное действие сенсорного раздражителя. Гетеросинаптические изменения силы связей происходят при активации нейронов модуляторной, а не основной цепи. Это наблюдается при сенсибилизации: действие сильного раздражителя на заднюю часть тела вызывает активацию модуляторной цепи, которая управляет силой синаптической передачи нейронов основной цепи.

Впоследствии мы установили, что в выработке классического условного рефлекса задействованы как гомосинаптические, так и гетеросинаптические изменения. Более того, результаты наших исследований, посвященных связи сенсибилизации и выработки классического условного рефлекса, указывают на то, что обучение может осуществляться за счет сочетания различных элементарных форм синаптической пластичности с образованием новых, более сложных форм — примерно так, как из букв складываются слова.

Теперь я начал понимать, что преобладание химических синапсов над электрическими в нервной системе животных может быть связано с принципиальным преимуществом химической передачи над электрической — ее способностью обеспечивать разнообразные формы обучения и хранения памяти.

В свете этих данных стало ясно, что обеспечивающие рефлекс втягивания жабр синаптические связи между сенсорными нейронами и мотонейронами, возникшими в ходе эволюции для обеспечения разных форм обучения, намного легче изменить, чем синаптические связи, не играющие в обучении никакой роли. Наши исследования красноречиво показали, что в нейронных цепях, видоизменяемых в ходе обучения, синапсы могут подвергаться существенным и длительным изменениям силы, даже если обучение было довольно непродолжительным.

Одно из фундаментальных свойств памяти состоит в том, что она формируется поэтапно. Кратковременная память сохраняется минуты, в то время как долговременная — много дней и даже дольше. Судя по экспериментам с поведением, кратковременная память естественным образом постепенно переходит в долговременную, и происходит это благодаря повторению. Повторение — действительно мать учения.

Как практика обеспечивает этот переход? Как в процессе обучения кратковременная память преобразуется в постоянную, самоподдерживающуюся долговременную память? Происходит ли этот процесс в том же месте (там, где сенсорные нейроны связываются с мотонейронами) или требуется какое-то другое место? Теперь мы могли искать ответ на эти вопросы.

В тот период наука вновь полностью поглотила мое внимание, вытеснив все остальные занятия. Однако в своей одержимости аплизией я нашел неожиданного союзника в лице дочери Минуш. В 1970 году, когда ей было пять лет и она только что научилась читать, она наткнулась на изображение аплизии в «Энциклопедии жизни животных» издательства Larousse — прекрасной иллюстрированной книге, которую я держал у нас в гостиной. Минуш была в полном восторге от этой картинки и не раз, показывая на нее, кричала: «Аплизия! Аплизия!»

Через два года, когда ей было семь, она написала по случаю моего дня рождения (мне исполнилось сорок три) следующее стихотворение.

Аплиза

Стихи Минуш

Аплиза как большой слизняк.

И в дождь, и в град, и так, и сяк.

Рассердишь — выпустит чернил.

Они красны, а не черны.

Она на суше не живет.

У ней нет ног, она ползет.

А рот ее такой смешной.

Она на юг ползет зимой.

Перепечатано из книги: E. R. Kandel, Behavioral Biology of Aplysia, W. H. Freeman and Company: 1979.