Упрощение изучаемой системы

Выявив нервную сеть, которая обеспечивала рефлекторную реакцию, исследователи смогли перейти ко второму вопросу: какая часть этой сети ответственна за привыкание? Не происходят ли при этом изменения в каких-то определенных клетках или синапсах? Этот вопрос, очевидно, имеет отношение к описанному выше первому критерию.

Но, поскольку группа Кэндела состояла из нейрофизиологов, а не биохимиков, исследователи начали с изучения электрических свойств клеток, что соответствует моему шестому критерию. Однако для получения ответа требовалось еще одно упрощение изучаемой системы, в результате которого живые аплизии превращались в неактивные, удобные для манипуляций "препараты". Животное можно вскрыть, обнажив абдоминальный ганглий, или даже полностью изолировать этот ганглий вместе с нервами, участком кожи и жаброй. Проведя такую операцию, Кэндел мог считать, что исключил все посторонние источники сигналов другие периферические нервы, нейро-модуляторы, циркулирующие в крови и т. п. При этом он получил возможность выявлять крупные клеточные тела моторных нейронов и, как говорилось в главе 7, повторно идентифицировать "те же самые" клетки при смене одного животного другим ( 9.2). В результате операции живой моллюск становился чем-то вроде компьютерной схемы, и ученые могли исследовать ее свойства как электротехники, получившие новое оборудование и пытающиеся понять прин-
ципы его работы. В такой системе осязательный стимул для поведенческих реакций можно заменить его нейрофизиологическим аналогом, т. е. прямым электрическим раздражением нервов, идущих к сенсорным нейронам. Точно так же и мышечную реакцию втягивание жабры и сифона можно вызывать прямой стимуляцией нервов, отходящих от моторных нейронов к жаберной мускулатуре.
На следующем этапе работы изолированные и "упрощенные" препараты использовались для того, чтобы выяснить локализацию механизмов привыкания, т. е. найти те звенья нервной цепи, которые начинают слабее отвечать на повторное раздражение. К середине семидесятых годов стало ясно, что ни подходящие к сенсорным нейронам, ни отходящие от двигательных нейронов нервы не обладают свойствами, позволяющими объяснить привыкание, так как их электрические ответы не уменьшаются. Следовательно, клетки, ответственные за привыкание, должны занимать промежуточное положение в сенсорно-моторной цепи абдоминального ганглия.

И действительно, регистрация электрических сигналов от моторных нейронов в этом ганглии в период привыкания выявила постепенное уменьшение их частоты. Из этого был сделан вывод, что "место" привыкания лежит между сенсорными и моторными нейронами [6].
Однако даже в таком крайне упрощенном препарате имеется множество нервных цепей и многие тысячи клеток. Сенсорные нейроны, например, имеют прямые и опосредованные связи с моторными нейронами. Прямые связи обеспечиваются синапсами между аксоном сенсорного нейрона и дендритом или телом моторного нейрона (моносинаптический путь); в непрямом, полисинаптическом пути сначала сенсорный нейрон устанавливает синаптическую связь с интернейроном, а тот в свою очередь образует синапс с моторным нейроном. (Здесь следует ввести еще два соотносящиеся друг с другом термина. Когда одна клетка воздействует на другую непосредственно путем модификации синапса, образуемого ею на второй клетке, говорят о гомосинаптическом эффекте; если же действие одной клетки на другую модулируется третьей клеткой, имеющей синапсы с двумя первыми, такой эффект называют гетеросинаптическим.)
Анализ активности моторных нейронов аплизии после сенсорной стимуляции показывает, что они реагируют как непосредственно, т. е. моносинаптически, так и полисинапти-
чески, через посредство интернейронов. На просьбу указать наиболее вероятное место синаптической пластичности теоретики скорее всего выберут интернейроны, поскольку они, очевидно, могут получать и модулировать сигналы, поступающие по множеству различных входов, прежде чем направить их по различным выходным путям. Простая модель научения, предложенная Хеббом и представленная на 6.1, требует участия трех нейронов.

Иными словами, если она верна, то предполагает гетеросинаптическое взаимодействие. Однако, к удивлению многих, в начале восьмидесятых годов группа Кэндела показала, что элемент, ответственный за привыкание, чрезвычайно прост: это прямая синаптическая связь между сенсорным и моторным нейронами; в частном случае синапс между сенсорным нейроном и одним определенным очень крупным моторным нейроном, причем связь здесь моносинап-тическая с модуляцией гомосинаптического типа.
Постепенное упрощение препарата до изолированной нервной цепи подготовило почву для его предельной редукции: сотрудник Кэндела Самюэл Шахер выделил два специфических нейрона сенсорный и двигательный и поместил их вместе в чашку Петри, т. е. перенес в условия тканевой культуры. Уже давно известно, что в этих условиях нейроны, подобно другим клеткам, много дней и даже недель остаются живыми, если поддерживать нужную температуру, аэрировать среду и снабжать клетки глюкозой и другими необходимыми веществами. При этом многие виды культивируемых клеток продолжают делиться, а нейроны хотя и не делятся, но растут и образуют аксоны, дендриты и даже синаптические соединения.

В культурах Шахера сенсорные нейроны формировали синапсы на моторных нейронах, и их электростимуляция вызывала электрическую реакцию последних. При многократном раздражении сенсорной клетки ответ моторного нейрона постепенно затухал, т. е. развивалось привыкание [7]. В конце концов в лаборатории Кэндела было получено то, что он описал как изолированный синапс, "обучающийся в блюдце".

Фактически это был полный триумф редукционистской стратегии, которой следовала группа Кэндела. Это, казалось, оправдывало его претензию на постановку такой цели, как расшифровка "клеточного алфавита" научения. Сенсорно-моторный синапс, безусловно, может считаться одной из букв такого алфавита.
Все, о чем шла речь до сих пор, относится в основном к
области нейрофизиологии. А что можно сказать о биохимических механизмах реакций на изученных Кэнделом уровнях клеточной организации? Если привыкание происходит вследствие ослабления постсинаптической реакции в отдельном синапсе, то по логике вещей оно должно быть результатом либо пресинаптического, либо постсинаптического процесса или, разумеется, их сочетания. Например, может постепенно уменьшаться количество нейромедиатора, выделяемое преси-наптической клеткой, или происходить изменение рецепторов на постсинаптической стороне, так что они будут слабее реагировать на прежние дозы медиатора; возможно и одновременное участие обоих механизмов.

Вопрос об относительной роли пре- и постсинаптической пластичности в последние годы стал одним из важных предметов спора, но большинство теоретиков склонно было приписывать пластичность в основном постсинаптической стороне.
Первой задачей нейрохимического исследования для группы, работавшей с аплизией, стала идентификация медиатора, передающего сигналы в синапсе. Им оказалось широко распространенное вещество серотонин, или 5-гидрокситриптамин. К середине семидесятых годов сотрудники группы установили, что в период привыкания в изолированном ганглии происходит неуклонное снижение секреции серотонина пресинаптическими окончаниями сенсорных клеток, тогда как чувствительность постсинаптических рецепторов этого вещества не изменяется. Пониженная секреция серотонина сопровождалась также изменением свойств пресинаптической мембраны, в особенности уменьшением трансмембранного переноса кальция внутрь клетки (биохимическое значение этого станет понятным позже).

В параллельных экспериментах было показано, что сенситизация (т. е. эффект, в известном смысле противоположный привыканию; см. главы 6 и 7) тоже связана с пресинаптическими процессами, но здесь уже необходимо усиление секреции серотонина и притока кальция в клетки. Тот факт, что оба процесса и привыкание, и сенситизация происходят с участием пресинаптических механизмов, оказался довольно неожиданным для тех, кто моделирует нервные функции.
Десятилетие спустя были проведены аналогичные эксперименты на клетках в культуре, и они дали те же результаты. На этот раз для "обучения" не требовалось даже двух клеток, реакция полностью воспроизводилась при воздействии серого-
нином на изолированный моторный нейрон. Дальнейшее упрощение трудно придумать!
В следующей главе я гораздо подробнее остановлюсь на биохимии этих процессов в контексте моих собственных экспериментов. Сейчас я не буду вдаваться в детали, а хочу лишь подчеркнуть то, что Кэндел объясняет рефлекс, привыкание и сенситизацию, переходя к все более простым системам. Сначала он сводит сложную форму поведения интактного организма втягивание сифона и жабры к реакции нервной цепи, в которой в результате взаимодействия всего лишь двух клеток развивается привыкание, а потом интерпретирует электрическую (т. е. физиологическую) реакцию синапсов как каскад биохимических процессов в пресинаптическом нейроне.

Содержание раздела