Молекулы памяти и артефакты

Присяжный философ молекулярной биологии Гюнтер Стент назвал конец пятидесятых и начало шестидесятых годов классическим периодом молекулярной биологии [8]. В 1953 году Уотсон и Крик расшифровали структуру ДНК и показали, что в ее знаменитой двойной спирали заключены механизмы передачи генетической информации и управления белковым синтезом; в дальнейшем были подробно изучены также процессы биосинтеза белка и нуклеиновых кислот и начали выясняться способы их исключительно точного контроля на клеточном уровне. Не было, казалось, невозможного для этой новой удивительной науки. Там, где раньше биологи и биохимики искали ответы на вопросы, откуда клетка получает энергию и как использует ее, молекулярная биология устанавливала свои собственные ценности. Ее интересовала не энергия, а информация, она ориентировалась на использование методов столь же новых в то время компьютерных дисциплин. Можно было думать, что регуляция и воспроизводство клетки сводятся к контролю и воспроизведению информации. Гигантские молекулы, олицетворявшие эти новые представления, - белки, ДНК и РНК - отличались от гораздо более скучных малых молекул, с которыми раньше имели дело биохимики, тем, что они были воплощением информации: это были информационные макромолекулы. А поскольку мозг - всего лишь машина для обработки информации, вполне логично было предположить, что он выполняет эту работу, каким-то образом используя те же информационные макромолекулы.

Более того, нельзя ли само воспроизводство вида рассматривать как функцию одной из форм памяти - генетической памяти, как результат способности ДНК, передаваемой от родителей потомству, нести в своей структуре точные инструкции для будущего построения нового организма? Но если ДНК служит носителем генетической памяти, то почему бы ей (или РНК, или белку) не быть также носителем памяти мозга?

Эта основанная на игре слов логика нашла признание и в одновременно развивающейся иммунологии. Антитела представляют собой белки, синтезируемые клетками иммунной системы для инактивации «чужеродных» молекул и противодействия им, они позволяют организму сохранять «память» о незваных гостях и благодаря этому быстро нейтрализовать их при повторном вторжении. А коль скоро иммунологическую память тоже обеспечивают белки, нет ли сходства между действующими в обоих случаях механизмами? Забудьте о структуре, о сложном сплетении десяти миллиардов нейронов и триллионах синаптических связей между ними, существующих в мозгу. Может быть, сами макромолекулы и служат носителями памяти? Правда, ДНК несколько перегружена ответственностью за генетическую память, но так ли уж невероятно, что накопленные за всю жизнь воспоминания закодированы в мириадах уникальных белковых последовательностей? Влияние молекулярно-биологической риторики было (и остается) настолько сильным, что она увлекла даже тех, кто имел все основания следовать собственным курсом. Обаянию логики новых представлений поддались молекулярные биологи и иммунологи того времени (среди захваченных первой волной энтузиазма, но в конце концов удержавшихся на позициях здравой нейробиологической теории были Джералд Эделмен и Фрэнсис Крик). Это поветрие проникло и на страницы самых престижных журналов. Вот примеры, позволяющие почувствовать дух той эпохи:

Известны три типа биологической памяти: а) генетическая память, открытие и расшифровка которой составляют заслугу молекулярной биологии, б) обычная память, являющаяся функцией мозга, и в) иммунологическая память. Несмотря на видимое различие этих форм памяти, у них, вероятно, много общего, и не исключено, что все три имеют общий механизм [9].

Были зачарованы даже трезво мыслящие создатели математических моделей, о чем свидетельствует Дж.С.Гриффит, который в начале пятидесятых годов участвовал в работах Уотсона и Крика по расшифровке структуры ДНК. В статье, написанной им совместно со старейшим биохимиком Генри Малером и предлагавшей теорию, которую по не совсем понятным мне причинам они назвали «ДНК-зависимой теорией памяти», имеется следующее замечание:

...Интуитивно ощущалось, что ДНК и может служить хранилищем не только генетической, но и приобретенной информации... Интересна сама возможность того, что неспособность зрелых нервных клеток делиться имеет своей целью предотвратить разрушение приобретенной информации, каким-то образом хранящейся в их ДНК [10].

Идеи такого рода не потеряли своей привлекательности и поныне; голоса их приверженцев были отчетливо слышны в 70-х и 80-х годах, а в несколько более изощренной форме звучат и в наши дни:

Индивидуальные молекулы служат фундаментальными единицами принятия решений в мозгу... Функция нейронов состоит в том, чтобы обеспечивать связь этих единиц между собой [11]. В данной статье поведение животных, в особенности научение и память, сводится к поведению белков - либо индивидуальных, либо собранных в сверхструктуры... Взаимодействие миллиардов таких молекулярных событий, осуществляемое через надлежащие связи, приводит к сложным формам научения у человека и животных [12].

Экспериментальные данные, указывающие на роль биосинтеза РНК и белков в образовании следов памяти, легко вписывались в новое молекулярное мышление, однако положение особенно обострилось после того, как стали появляться сообщения о совершенно необычных опытах на планариях. Инициатором этих исследований был непредсказуемый Джеймс Мак-Коннелл из Анн-Арбора (штат Мичиган), который в серии работ, появлявшихся в шестидесятые годы сначала в обычных научных журналах, а потом в его собственном издании под экзотическим заглавием Worm-Runner Digest¹описывал опыты с обучением плоских червей. Животных подвергали воздействию света в сочетании с электрическим ударом, после чего разрезали на мелкие части и скармливали другим, необученным червям. По утверждению Мак-Коннелла, последние начинали вести себя так, будто помнили условные реакции, которые были свойственны съеденным ими особям, тогда как у червей, которым скармливали необученных собратьев, поведение не изменялось [13]. Упоминания об этих опытах в течение нескольких лет мелькали в заголовках научных и общедоступных публикаций, пока не приобрели дурную славу, так как выяснилось, что у плоских червей вообще очень трудно выработать ассоциацию между световым стимулом и электрическим ударом, не говоря уже о воспроизведении последующих этапов эксперимента.

*1) Что-то вроде «Обозрения по гонкам червей». - Прим. ред.

Однако к тому времени это было уже не важно, так как стали появляться сообщения об аналогичных опытах на млекопитающих. Одна из первых публикаций принадлежала ученику Мак-Коннелла Аллану Джекобсону, работавшему в Лос-Анджелесе, который в 1965 г. сообщил, что он обучал крыс подходить к кормушке при вспышке света или щелчке, после чего забивал животных, экстрагировал из их мозга РНК и вводил ее в пищеварительный тракт необученных особей; тогда последние тоже приобретали склонность подходить к кормушке при подаче соответствующего сигнала (щелчка или световой вспышки), хотя кормушка была пуста и животные не получали подкрепления. Джекобсону удалось даже «передать» таким образом навык подхода к кормушке от крыс хомячкам [14].

Между тем сходные исследования начали проводить на людях. Юэн Камерон, психолог из Университета Мак-Гилла, добавлял в пищевой рацион пожилых людей с расстройствами памяти большие количества РНК (обычно 100 г экстракта дрожжевой РНК, что действительно очень много). Он утверждал, что это значительно повышало способность его пациентов вспоминать события прошлого (надо думать, их собственного, а не прошлого дрожжевых клеток!) [15]. Более чем вероятно, что у обследованных Камероном людей из дома престарелых память улучшалась уже от одного сознания, что их заметили, поместили в клинику и проявляли повышенное внимание во время эксперимента¹.

*1) См. главу 5. Это явление известно как эффект Хоторна, который был случайно открыт в исследовании, имевшем целью оценку влияния разных форм организации труда рабочих на его производительность.

Или, возможно, их просто плохо кормили, как это нередко бывает в домах для престарелых, и вводившаяся РНК служила полезной добавкой к рациону. При использованном способе введения РНК с пищей она, по-видимому, расщеплялась в пищеварительном тракте на свои компоненты, которые и всасывались затем в кровь². Данные Камерона вызывали сомнение отчасти и из-за отсутствия в его исследовании контрольной группы, а позднее, после его смерти, научная репутация этого автора была непоправимо подорвана, когда выяснилось, что значительная часть его экспериментальной работы долгое время секретно финансировалась ЦРУ, включая аморальные опыты по изучению поведенческих эффектов ЛСД³, который тайком вводили ничего не подозревавшим испытуемым [17].

*2) Интересно, что спустя несколько лет, в конце 70-х - начале 80-х годов, группа исследователей под руководством фармаколога Ганса-Юргена Маттиеса (Магдебург, тогда в ГДР) сообщила, что введение больших доз предшественника РНК - оротовой кислоты - улучшило память крыс в разнообразных лабораторных тестах [16]. Оротовая кислота входит теперь в длинный перечень «компенсирующих средств» и «стимуляторов памяти», которые все чаще появляются на прилавках сомнительных магазинов «лечебного питания», несмотря на отсутствие каких-либо данных об их необходимости для организма или эффективности.

*3) Диэтиламид лизергиновой кислоты, галлюциногенный препарат. - Прим. ред.

Утверждения об улучшении памяти под действием РНК вызвали острую полемику в научной литературе; многие лаборатории пытались воспроизвести эти результаты, но в большинстве случаев безуспешно. В том же году, когда Джекобсон опубликовал свою работу, в авторитетном журнале Science появилось сообщение за подписью двадцати трех авторов о том, что им не удалось воспроизвести его результаты [18]. На этом все могло бы закончиться, но кто-то обратил внимание, что при использованной Джекобсоном методике экстрагирования РНК из мозга крыс наряду с нею выделялось большое количество белка и других примесей. Значит, активным материалом могла быть вовсе не РНК? К 1967 году лаборатории, занимавшиеся «переносом памяти», возобновили работу и стали вводить различные экстракты мозга, получая самые разнообразные результаты (например, какая-то группа обучала одних крыс нажимать на рычаг правой лапой, а других - левой, но только одну из этих двух форм поведения удавалось передать другим особям!).

Наиболее систематически изучал этот вопрос Джорджес Унгар из Бейлоровского университета в Хьюстоне (Техас). В своих экспериментах он использовал тот факт, что грызуны (крысы или мыши), имея возможность выбирать между освещенным и темным отделениями клетки, предпочитают находиться в темноте. Унгар помещал крыс в ящик с выходом на освещенный манеж, в одном из углов которого имелось темное отделение. При попытке забежать в него крысы получали электрический удар и в результате быстро отучались от врожденной привычки. После этого экстрагированный из их мозга материал впрыскивали мышам, которых помещали в аналогичные условия, предоставляя выбор между светом и темнотой, но без электрического воздействия. По утверждению Унгара, такие мыши отказывались заходить в темное отделение - в отличие от контрольных мышей, которым вводили материал от необученных крыс.

Вместе со своими сотрудниками Унгар предпринял попытку выделить вещество, якобы передающее информацию о «страхе перед темнотой» в чистом виде. Я уже упоминал, что механизм действия белков и РНК в такого рода экспериментах всегда оставался биохимической загадкой, поскольку все эти крупные молекулы быстро распадаются в кишечнике на составляющие компоненты - аминокислоты или нуклеотиды - еще до включения в общий обмен веществ реципиента. И действительно, активным фактором Унгара оказался не белок и не нуклеиновая кислота, а пептид (пептиды - вещества, образованные короткой цепью не более чем из 15-20 аминокислотных остатков), который можно было вводить путем инъекции, что позволяло избежать его переваривания в желудочно-кишечном тракте. Полученный пептид состоял из 15 аминокислот и был назван «скотофобином» (от греч. скотофобия - боязнь темноты). После большого шума эти данные были опубликованы в журнале Nature вместе с критическими замечаниями одного из рецензентов, химика Уолтера Стюарта [19]¹ - вещь по тому времени неслыханная.

*1) К восьмидесятым годам Стюарт стал конгрессменом США; Джон Мэддокс, редактор Nature, очень ценил его как изобличителя научной недобросовестности в самых разных областях, от технологии изготовления ложек и гомеопатии до вопросов приоритета.

Критика Стюарта касалась в основном не поведенческого аспекта опытов Унгара, а химической чистоты и состава скотофобина. Я же, как и другие нейробиологи, усматривал в результатах этих опытов еще и иные неправдоподобные вещи (даже если бы эксперимент удалось воспроизвести, а к этому многие лаборатории относятся весьма скептически). Как ничтожные количества введенного пептида могли направляться к нужным нейронам и проникать именно в них, чтобы закодировать новую информацию памяти? Почему высокоспецифические элементы памяти и поведения у разных особей или видов животных должны кодироваться одним и тем же пептидом? И если пептиды действительно кодируют память, не должно ли их быть в мозгу гораздо больше, чем удалось обнаружить? Если бы на самом деле существовали «пептиды памяти» и концентрация каждого из них была такой же, как концентрация скотофобина, то для кодирования воспоминаний на протяжении человеческой жизни их содержание в мозгу достигало бы, наверное, сотни килограммов, что намного больше среднего веса нашего тела.

Однако наиболее серьезные сомнения вызывало другое обстоятельство. Действительно ли поведение мышей после инъекции «скотофобина» было идентично результату научения? Позвольте пояснить это. В экспериментах Унгара мышей выпускали на освещенный манеж и наблюдали за их поведением. При этом отмечали время, которое требовалось животным, чтобы зайти в темное отделение, и если их не оказывалось там к заранее установленному сроку, скажем через минуту, опыт прекращали. Нужно было сравнивать время, затраченное мышами, получавшими материал от обученных и от необученных крыс. Первые отличались от вторых тем, что получали электрический удар, т. е. подвергались стрессорному (болевому) воздействию при попытке проникнуть в темный ящик. У мышей и крыс реакция на стресс обычно проявляется в оцепенении - животное застывает в неподвижности. Предположим теперь, что в результате стресса, связанного с электрическим ударом, образуется какой-то гормон, например пептидный, который вызывает оцепенение. В мозгу обученных (т. е. подвергавшихся «наказанию») крыс его концентрация должна быть выше, чем у необученных животных, и при введении мышам он в свою очередь должен вызывать оцепенение. В опытах Унгара это поведение регистрировалось бы как задержка перехода в темное отделение и могло быть простым следствием относительно малой подвижности мышей-реципиентов. Его эксперименты были построены таким образом, что эту пониженную активность можно было принять за усвоенную под воздействием скотофобина специфическую реакцию. На самом же деле если что-то и «передавалось» мышам, то это было не специфическое приобретенное поведение, а общая эмоциональная реакция на стресс, что совсем не одно и то же.

Вскоре после начала этой полемики Унгар умер, что стало поводом для не совсем этичного предложения поставить заключительный эксперимент, введя экстрагированный из мозга ученого материал его критикам, т. е. провести испытание на людях, которое, как я подозреваю, сам Унгар полностью бы одобрил! Как бы то ни было, с его смертью из научной литературы исчезли упоминания о скотофобине и о самих экспериментах по переносу следов памяти. (Среди тех, кто дольше всего участвовал в работах по передаче памяти, следует упомянуть венгерского энзимолога Фридриха, чьи взгляды на ее молекулярную основу я цитировал выше.)

Я не хочу сказать, что все эти исследования были в методическом отношении столь же несостоятельными, как описанные здесь, хотя подозреваю, что во многих случаях дело обстояло именно так. Множество необъясненных и нерассмотренных данных разбросано по страницам научных журналов за первую половину семидесятых годов, но автор не знает их и не обсуждает, так как исследовательскую парадигму передачи памяти теперь уже не принимают всерьез; она пала еще одной жертвой научной моды, и на этот раз - в отличие от срезов Мак-Илвейна - вполне заслуженно. Поэтому никто не пытается искать объяснения по видимости аномальным данным. Большинство из нас удовлетворяется мыслью, что они могли быть результатом недостаточной статистической оценки, неправильного планирования экспериментов, излишней увлеченности при интерпретации неоднозначных результатов или (как в опытах Унгера) ошибочного истолкования биохимических и фармакологических последствий стресса либо других, скорее всего неспецифических аспектов поведения. Может быть есть и еще что-то, не соответствующее нашим современным моделям? Но сейчас никто из нас не хочет тратить время на проверку всех этих возможностей.

Неспециалистов, а также и лжеученых нередко беспокоит такое явное нежелание ученых уделять время анализу разного рода парадоксальных наблюдений, которые не укладываются в принятые экспериментальные парадигмы: кольцевых фигур на хлебных полях, экстрасенсорного восприятия, НЛО, ароматерапии и прочего. Для таких критиков это обстоятельство служит лишним подтверждением узости ортодоксальной науки, а довольно откровенный отказ большинства ученых принимать всерьез подобные явления, раздраженно отмахиваясь от них, еще больше усиливают нападки оппонентов. Однако последние, очевидно, не в состоянии понять, как на самом деле трудны научные исследования, как сложно проверить даже очень простые на вид гипотезы и предположения и с каким количеством парадоксов и загадок мы сталкиваемся в повседневной научной работе; а ведь они не менее интересны и теоретически гораздо более важны, чем такие, возможно, малодоступные для проверки явления, как, скажем, экстрасенсорное восприятие.

Пока поэты и прорицатели беспокоятся о том, как бы привлечь внимание к аномальным феноменам, нарушающим правильное течение нашей повседневной жизни, естественные науки заняты дотошным и зачастую скучным изучением ее кажущейся монотонной упорядоченности. Нам она представляется по меньшей мере столь же интригующей и заслуживающей внимания, как знамения и чудеса, вызывающие столь навязчивую озабоченность мистиков, искателей веры и многих других лиц, далеких от науки.

Тем не менее я пытаюсь здесь спасти от снисходительного забвения давние эксперименты по переносу памяти не просто для того, чтобы отдать историческую справедливость ушедшему в прошлое этапу развития избранной мною области исследований, но и по трем другим гораздо более важным причинам. Прежде всего, нужно показать, как легко может ввести в заблуждение собственная риторика. В главе 4 отмечалось, что очень существенную роль в развитии науки играет аналогия или метафора: она может осветить лежавший впереди путь или завести в тупик. В данном случае аналогия была задана использованием слов «память» и «информация» в трех разных областях: наследственности, иммунологии и теории научения. Власть модных выражений, таких как информационные макромолекулы, и поиск сенсационных результатов для прессы и спонсоров нередко заставляли забывать об осторожности. В данном случае результатом оказалось «открытие» биохимических механизмов памяти, которые искали совсем не на том уровне - на уровне молекул, а не цельных систем мозга, которым принадлежат эти молекулы. Выбор нужного уровня при изучении того или иного феномена в биологии так же стратегически важен, как выбор подходящего организма или условий контрольного эксперимента; эти факторы в такой же степени влияют на исход исследования в наше время, как и двадцать лет назад.

Вторая причина не имеет столь негативного подтекста. Унгар проводил свои опыты еще до того, как другие исследования, позднее давшие начало новой важной ветви нейрофармакологии и выдвинувшие ряд выдающихся ученых, показали, какую важную роль играют многие пептиды в мозгу. Из них наиболее известны болеутоляющие морфиноподобные вещества из группы опиоиднъа пептидов, такие как энкефалины и эндорфины. В настоящее время открыты десятки таких мозговых пептидов, многие из которых близко родственны гормонам, действующим в других частях тела. Они функционируют как нейромедиаторы и как модуляторы нейронной активности (нейромодуляторы) и имеют отношение не только к боли, но и к удовольствию, стрессу, возбуждению, вниманию и ряду других душевных и телесных состояний общего характера. Поразительно (а может быть, в этом и нет ничего неожиданного), что мифический скотофобин Унгара по своему аминокислотному составу весьма напоминает энкефалины и эндорфины. Сам того не подозревая, Унгар столкнулся с совершенно новой возможностью познавать химические основы мозговых функций; однако он умер, так и не узнав о совсем опередившем время, но неверно истолкованном открытии.

Третий урок: мы теперь видим, как легко возникают артефакты при экспериментальном исследовании таких сложных явлений, как научение и память. Поскольку у животных память можно описать только в поведенческих понятиях, всегда есть опасность, что мы оцениваем тот или иной аспект поведения, а не памяти. В опытах с обучением животных подвергают стрессорным воздействиям или выдерживают голодными, они получают сенсорные сигналы и совершают определенные действия. Если мы регистрируем изменения белкового синтеза в условиях, скажем, коррелятивного эксперимента, как мы можем быть уверены, что это связано именно с процессами научения, а не с сопутствующим поведением? Если же мы проводим интервентивный эксперимент и впрыскиваем животному препарат, который лишает его способности «правильно» выполнять¹ усвоенную ранее задачу, как можно удостовериться, что мы блокируем или нарушаем именно память, а не моторную или сенсорную активность, от которой зависит ее внешнее проявление? Вводимое вещество может ведь делать животных менее голодными, уменьшать их подвижность или чувствительность к электрическому удару.

*1) В дальнейшем я не стану брать слово «правильно» в кавычки, поскольку уже говорил, что мы интерпретируем поведение животного, пользуясь нашими критериями, которые не обязательно совпадают с его собственными.

Совсем непросто придумать эксперименты для проверки всех этих возможностей, что подтверждается оживленным обсуждением этой проблемы в научной литературе. Приведем еще один пример экспериментальных подходов, которые широко использовались в конце 60-х и начале 70-х годов. Предположим, что мышь обучают, помещая ее на небольшую полку в клетке с сетчатым полом, находящимся под током. Всякий раз, когда животное сходит с полки на пол, оно получает слабый электрический удар (это один, из малоприятных видов подкрепления, которые приходится использовать в экспериментальной психологии). После нескольких проб мышь приучается оставаться на полке. В соседней клетке помещают другую мышь, но здесь нет полки. Всякий раз, когда первая мышь получает электрическое раздражение, такому же воздействию подвергается и вторая мышь, однако из-за отсутствия полки она не может ничему научиться и поэтому служит хорошим контролем. Обе мыши получают одинаковое число электрических ударов, но одна обучается избегать их, а другая нет, так как ей некуда уйти; число ударов для нее целиком определяется поведением первой, обучающейся мыши. Следовательно, все различия между ними должны быть приписаны не ударам, а тому, что мышь в клетке с полкой обучается их избегать. Этот прием использовался во многих экспериментах, выявивших различия в биосинтезе белка у обученных и контрольных животных. На основании этих результатов был сделан вывод, что биохимический сдвиг был действительно обусловлен обучением, а не стрессом. Иногда в таких экспериментах используют третий, «спокойный» контроль, и часто у животных этой третьей группы тоже выявляются биохимические отличия от двух других групп - обученной и необученной [20].

Но постойте. Откуда известно, что контрольное животное ничему не обучается? Может быть, оно узнает, что удара нельзя избежать, и это знание очень существенно для его поведения в последующем [21]? Не будут ли различия между «спокойным» контролем и животным, не имеющим возможности избежать удара, результатом обучения или стресса? Или, возможно, обучающаяся мышь испытывает меньший стресс, чем не обучающаяся? Стресс, несомненно, влияет на уровень циркулирующих в крови гормонов, а также может изменять обмен веществ в мозгу. Поэтому даже при полной достоверности биохимических эффектов различия между ними у разных групп животных могут зависеть не только от того, имело ли место научение.

Сходные источники артефактов и ошибок существуют и при биохимических измерениях. Многие из них обусловлены весьма сложными биохимическими факторами, на которых я сейчас не буду останавливаться: достаточно будет сказать о двух. Я уже упоминал (глава 2), что скорость белкового синтеза можно определить, вводя в кровяное русло меченую аминокислоту и измеряя радиоактивность белков в тех или иных областях мозга спустя различные промежутки времени. Однако, прежде чем включиться в белок, радиоактивная аминокислота должна сначала перейти из кровяного русла в нейроны. Поэтому скорость ее включения может изменяться в зависимости от скорости кровотока и других физиологических параметров, которые, таким образом, будут влиять на скорость биосинтеза белка. Такая же неоднозначность возможна в экспериментах с ингибиторами белкового синтеза. Поскольку белки образуются из аминокислот, воздействие этих ингибиторов приводит к тому, что аминокислоты не включаются в белки, а накапливаются в клетке. Некоторые из них, будучи исходным материалом для построения белков, служат также мощными нейромедиаторами, и их избыток может нарушать нормальную электрическую активность нейронов. Поэтому ингибиторы белкового синтеза могли бы вызывать амнезию, обусловленную не дефицитом вновь синтезируемых белков, а повышением внутриклеточной концентрации аминокислот [22]¹. В первом порыве энтузиазма по поводу «молекул памяти» многие исследователи забыли об осторожности, необходимой при оценке столь неоднозначных биохимических и поведенческих эффектов, что в конечном счете привело к дискредитации не только их собственных результатов, но и целого научного направления.

*1) Этот пример разносторонних последствий даже очень простого химического вмешательства в сложные биохимические процессы наглядно показывает несостоятельность рассуждений представителей фармацевтической промышленности о «побочном действии» лекарственных средств. Введение в организм экзогенного вещества приводит к разнообразным биологическим эффектам, частью предвидимым, а частью совершенно неожиданным, но их никак нельзя считать «побочными». Это неверный термин, маскирующий неизбежность таких последствий, которых исследователь или врач не желал или о которых не подумал. Ни одно лекарственное средство не может быть «волшебной пулей», попадающей только в одну мишень.

Начнем с начала

По мере того как на поверхность выплывали противоречия и артефакты ранних исследований, дутые научные репутации стали лопаться словно пузыри, а приток исследователей в новую науку прекратился и затем повернул вспять. В течение нескольких лет было очень непросто получить средства на исследования памяти; те из нас, кто сохранял верность избранному пути, оказывались в изоляции, и к их данным относились в лучшем случае с вежливым скептицизмом. И когда в начале восьмидесятых годов память снова стала модным объектом нейронаук, она явилась уже в новом обличье.

Примерно к тому времени относится моя статья под несколько провоцирующим, как я надеялся, заглавием: «Какой должна быть биохимия научения и памяти?» [23]. Мне казалось, что с проблемами памяти в какой-то мере соприкасаются все новые научные направления. Многие лаборатории с энтузиазмом включились в эту работу, используя разнообразные парадигмы научения, нередко напрямую заимствованные из экспериментальной психологии. Однако это не означает, что широко применяемые в психологии методы (как, например, выработка у крыс реакции нажатия на рычаг для получения корма в скиннеровской клетке) столь же пригодны и для изучения клеточных и биохимических процессов в организме. Иногда объем новой информации, приобретаемой животным в психологическом эксперименте, попросту недостаточен для того, чтобы можно было выявить сопутствующие биохимические изменения. Исследователям биохимии памяти требовались новые модельные системы, в которых изучаемые изменения были бы достаточно велики, чтобы их удавалось выявить, и в то же время было бы ясно, что это не простые артефакты. Известны случаи, когда люди переключались на другие проблемы, считая, что если какие-то биохимические изменения в мозгу действительно «кодируют» память, то они слишком малы для успешного обнаружения, а если они достаточно выражены, то скорее всего не имеют к памяти никакого отношения.

Вопрос о масштабах возможных биохимических изменений был (и даже сейчас остается) весьма серьезным. Физиологи и психологи всегда покорялись необходимости применять статистический анализ для оценки значимости своих результатов. Это не устраивает многих биологов биохимической ориентации, особенно молекулярных биологов, так как изучаемые ими явления нередко подчиняются принципу «всё или ничего» или по крайней мере столь значительны, что различия в экспериментальных условиях или воздействиях приводят к четким различиям в результатах. Если для демонстрации какого-то эффекта нужна статистика, утверждают они, то этот эффект может оказаться нереальным и уж во всяком случае не может быть значительным. Фрэнсис Крик совершенно определенно высказался по этому поводу на дискуссионном заседании Королевского общества в Лондоне в 1977 году, обсуждая доложенные мною данные о 15-20%-ных изменениях скорости белкового синтеза и ферментативной активности при импринтинге у цыплят и первом воздействии света на крыс [24]. Если изменения не превышают 100%, их следует игнорировать: значит, вы изучаете не ту систему или неправильно спланировали эксперимент, - настаивал Крик. Однако присутствовавших физиологов и психологов поразил тот факт, что простая тренировка на импринтинг или любая другая форма обучения вообще могла дать заметные изменения, и в поисках источников артефакта они подвергли наши эксперименты столь же строгому анализу, какой в свое время проводил я сам, пытаясь разобраться в опытах по «передаче памяти».

Независимо от величины наблюдаемых эффектов вставал еще один вопрос, очень важный в теоретическом плане: специфичны ли обнаруженные нами биохимические изменения для импринтинга у цыплят, т. е. действуют ли здесь какие-то особые механизмы, отличные от тех, что лежат в основе проявлений памяти у взрослых птиц или других животных? Или мы имеем дело с биохимическим механизмом, общим для всех видов научения? Психологи различают много форм памяти - процедурную и декларативную, эпизодическую и семантическую, «рабочую» и «справочную», - и следует ли ожидать, что для каждой из них имеется свой собственный биохимический механизм, или же во всех случаях происходят сходные изменения на биохимическом и клеточном уровнях? Существует ли универсальный клеточный механизм памяти у млекопитающих, позвоночных и даже всех животных вообще, или он специфичен для определенных групп организмов?

От ответа от эти вопросы будет зависеть, на каком уровне следует изучать память. Если ключевую роль здесь играют биохимические процессы, то можно ожидать, что каждый вид памяти связан с синтезом каких-то уникальных белков или иных молекул. А если принять другую точку зрения и считать память свойством мозга как системы, а не его отдельных клеточных или молекулярных компонентов, то память должна будет зависеть не от конкретных биохимических процессов, а от того, в каких именно клетках или синапсах происходят изменения, от локализации этих клеток в нервной системе и от их связей с другими клетками.

Вспомним о входной двери в подъезде дома с набором кнопок для звонков. В принципе возможны два способа устройства этой системы, позволяющих известить о приходе посетителя к жильцу той или иной квартиры: либо все звонки слышны во всех квартирах, но различны по звучанию, либо звук у всех звонков одинаков, но каждый из них раздается только в определенной квартире. В первой системе (звуки разные и слышны везде) «смысловое содержание» звонка заключено в его специфическом звучании, а во второй значение имеет не сам звонок, а способ проводки. Эти две возможности по сути дела иллюстрируют два возможных способа работы биохимического механизма памяти. По мнению тех, кто верит в «молекулы памяти», запоминаемая информация заключена как бы в звонке с уникальным звучанием; для тех же, кто считает память системным свойством мозга, звонок - это лишь часть (хотя и важная) всей системы, и чтобы понять смысл его звучания, надо не прислушиваться к звуку, а знать систему проводки.

Если правилен второй подход (а я верю в это, несмотря на весь свой биохимический энтузиазм), то изучаемые мною биохимические события скорее всего отражают общий обмен белков, в том числе мембранных, - часть того, что иногда называют «домашним хозяйством» клетки. (Часто это выражение употребляют с уничижительным оттенком, особенно биохимики-мужчины, которые, видимо, не считают домашнее хозяйство достаточно серьезным делом.) Память заключена в топографии (схеме связей) и динамике нейронной системы. Это означает, что клеточные механизмы запоминания, скажем, телефонного номера или правил вождения автомобиля существенно не различаются: просто в них участвуют разные клетки, по-разному связанные с другими частями мозга.

В начале восьмидесятых годов я думал, что, пока мы не получим более подробных ответов на все эти вопросы, будет трудно понять и сравнить многообразные и подчас противоречивые результаты, полученные в разных лабораториях. Какова их зависимость от небольших особенностей процедуры обучения или от вида используемых животных? Имеет ли смысл добавлять еще одну случайную крупицу знания ко все растущему списку феноменов памяти? Много ли мы имеем «подлинных» обобщений, не ограниченных определенным видом животных или используемым тестом, - обобщений, которые могли бы быть опорой при построении клеточного и биохимического «алфавита» памяти? Или эти попытки так же бесплодны, как погоня за блуждающими огнями?

Огромные достижения молекулярной биологии стали возможны потому, что научные коллективы, игравшие ведущую роль в программах экспериментальных исследований в 50-х и 60-х годах, сосредоточили свои усилия на одном простом организме - обычной кишечной палочке (Escherichia соli). Фрэнсис Крик заметил, даже не без доли серьезности, что все работы по молекулярной биологии и биохимии на любых других объектах следовало бы прекратить, пока не будет выяснено все относительно Е. соli (какой бы смысл ни вкладывался в слова «выяснено все»). Другие биологи, менее «молекулярные», возмущенно протестовали, заявляя, что то, что справедливо для E. соli, не обязательно справедливо для слона; что биология - наука не только о всеобщем, но и о специфическом; что многоклеточные организмы со сложным мозгом - это не просто агрегаты из 10¹⁵ (или около того) отдельных клеток; и, наконец, что свойства таких организмов могут определяться межклеточными отношениями, не присущими никакой из клеток в отдельности. Однако в самом деле, почему бы нейробиологам вообще и исследователям памяти в частности не сосредоточиться на небольшом числе модельных систем, относительно которых ни у кого не возникло бы возражений?¹

*1) Когда многолетний ближайший сотрудник Фрэнсиса Крика в Кембриджском университете Сидни Бреннер вместе с другими молекулярными биологами того времени начал делать пробные шаги в сторону нейробиологии, он избрал путь, предложенный самим Криком: он направил практически всю работу своей лаборатории на изучение анатомии, развития и поведения одного из простейших организмов, имеющих нервную систему, - крошечной нематоды Caenorhabditis elegans. У этого червя длиной всего в полмиллиметра нервная система состоит из 302 нейронов, расположенных, как и у других червей, вокруг кишечника Благодаря быстрой смене поколений эти организмы, как и плодовые мушки, очень удобны для изучения мутаций, а ограниченный репертуар их поведения связан в основном с питанием, размножением и перемещением при помощи резких изгибов тела. Путем электронно-микроскопического исследования нормальных особей и особей с «поведенческими» мутациями Бреннер рассчитывал получить полные схемы нервных связей и выявить соответствие между этими связями и простыми формами поведения. Прошло уже больше пятнадцати лет с начала этих исследований, но до сих пор трудно сказать, насколько оправдались надежды ученых, хотя анатомия С. elegans изучена, вероятно, лучше, чем у любых других животных за всю историю науки, и они являются первыми организмами, у которых в девяностые годы была полностью расшифрована последовательность геномной ДНК. Начавшаяся восторженным провозглашением манифеста редукционизма, эта научная программа пока не принесла больших нейробиологических дивидендов в виде открытия универсальных механизмов вроде тех, что принесли исследования на Е. coli [25].

Совершенно очевидно, что научение - это сложный процесс, который включает разные аспекты мозговой деятельности и не может быть сведен к простой линейной последовательности событий. Стресс, возбуждение, двигательная активность и т. п., неизбежно связанные с научением, сами по себе приводят к биохимическим и физиологическим изменениям в мозгу и представляют самостоятельный интерес как объекты исследования. При анализе феноменов научения и памяти приходится также учитывать действие любых факторов, которые могут влиять на эффективность положительного или отрицательного подкрепления (чем меньше у вас голод, жажда или боязнь наказания, тем с меньшим усердием вы будете учиться тому, что сулит вам пищу, воду или надежду избежать электрического удара).

Как я уже отмечал в связи с интерпретацией опытов Унгара, возбуждение, вознаграждение и наказание ассоциируются с изменениями содержания в мозгу и кровяном русле опиоидных и других пептидов. Поэтому инъекции этих пептидов или взаимодействующих с ними веществ могут изменить поведение или проявления памяти. Следовательно, они могут влиять на процесс научения, хотя непосредственно не участвуют в его механизмах, - точно так же, как настройка тембра и громкость в магнитофоне влияют на качество записи и ее воспроизведения, но не имеют прямого отношения к содержанию того, что записано на магнитной ленте.

В настоящее время имеются препараты, введение которых перед обучением или сразу после него улучшает память (т. е. сохранение ее следов, см. главу 5): это видно из результатов испытаний спустя несколько часов или дней после обучения. Другие вещества ухудшают память. Открытие проактивного и ретроактивного воздействия на формирование следов памяти вызвало погоню за лекарственными средствами (при мощной поддержке фармацевтических фирм), которые могли бы облегчить процесс обучения и улучшить память, особенно у пожилых людей, страдающих болезнью Альцгеймера и другими расстройствами памяти (так называемые компенсационные средства¹.

*1) Пионером этих исследований в Европе стал Давид де Вейд из Утрехта, сотрудничавший с фармацевтической компанией «Органон». Отрывочные и неоднозначные результаты его экспериментов получили теоретическое обоснование в работах Джима Мак-Гофа, работавшего в Ирвине (Калифорния), и Ивана Искьердо из Порту-Алегри (Бразилия) [26].

Стремление получить препараты, способные уменьшить тяжесть таких недугов, как болезнь Альцгеймера, заслуживает всяческого поощрения. Однако я весьма скептически отношусь к более смелым заявлениям пропагандистов компенсационных средств [27] о пользе их применения при столь широко распространенных явлениях, как «возрастное ослабление памяти». Я уже говорил в главе 5, что вообще сомневаюсь в существовании такого явления и в возможности получить лекарственные средства для борьбы с ним, если бы даже оно существовало. Одно дело ввести пептид животному, подвергнуть его испытанию в искусственных лабораторных условиях и показать, что он стимулирует научение и запоминание, и совсем другое - улучшить память человека, подсунув ему таблетку. Нельзя ожидать (отрешившись от идеи «молекул памяти»), что лекарственные препараты могут восстановить забытое, поскольку, как я уже говорил, оно сохраняется в мозгу не в форме особых молекул, а в виде множества специфических нейронных цепей. В лучшем случае все эти таблетки могут влиять лишь на самые общие процессы биохимического «домашнего хозяйства» клеток, необходимые для проявления памяти. Однако мозг является настолько тонко сбалансированной и динамичной системой с высокоэффективными механизмами самонастройки и контроля, что нарушение его биохимического равновесия в случае насыщения (в результате приема таблеток, влияющих на белковый синтез) отдельными медиаторами или нейромодуляторами, может привести к таким же последствиям, как попытка перенастроить радиоприемник или перепрограммировать компьютер, вставив отвертку между двумя элементами схемы.

Ясно одно: каким бы ни был лечебный эффект таких препаратов, они вряд ли могут помочь нам в понимании интимных механизмов памяти. В лучшем случае они будут полезны при изучении отдельных аспектов общего биохимического и гормонального состояния мозга, необходимого для формирования следов памяти, т. е. механизмов «настройки тембра и громкости», но не содержания «магнитофонной записи». По моему мнению, это ключевая научная проблема. Каким образом новая информация, приобретенная в процессе обучения, будет «представлена» в мозгу в форме перестроенных межнейронных связей и сможет впоследствии изменить поведение? Какие молекулярные процессы лежат в основе формирования этих связей? Возможно, что для образования следов памяти необходимы, помимо прочего, и изменения в секреции пептидов, однако этого недостаточно, и ввиду весьма общего характера таких изменений их нельзя считать специфичными для того или иного вида памяти. Именно поэтому я в моих экспериментах уделял сравнительно мало внимания такого рода веществам, и они не будут играть большой роли в последующих главах.

К концу семидесятых годов мне стало ясно, что любой клеточный или биохимический процесс, участвующий в формировании кода памяти, должен обладать особенностями, которые не могут быть изучены с помощью рассмотренных выше препаратов: он должен быть необходимым и достаточным для объяснения памяти. Оставалось неясным, можно ли достичь большего и показать, что какой-то процесс специфичен для данного следа памяти, т. е. представляет в мозгу именно эту и только эту информацию. Учитывая легкость постановки экспериментов, в которых обучение животных той или иной задаче приводит к выраженным биохимическим и клеточным изменениям в мозгу, я чувствовал необходимость выделения критериев, которые помогали бы судить, насколько то или иное изменение действительно необходимо, достаточно и специфично. Эта мысль выкристаллизовалась в бесчисленных долгих беседах, которые Пэт Бейтсон, Габриел Хорн и я вели, обсуждая наши опыты с импринтингом, и мы пытались найти способы ее практического воплощения при разработке контролей, которые использовали в начале семидесятых годов. Но в 1981 году я решил пойти дальше и установить набор критериев, которым должен был удовлетворять любой из предполагаемых биохимических или клеточных факторов формирования памяти. Обсуждение этих критериев связано с новым, более перспективным периодом в истории исследований памяти и, кроме того, служит поворотным пунктом в моей собственной научной биографии, когда я перешел от импринтинга к изучению еще более простой формы научения у цыплят. Все это послужит отправной точкой для следующей главы.

Глава 9

Морские улитки и гиппокамп: идеальные объекты?