В поисках памяти
Шрифт:
Меня очень увлекла мысль о том, что некоторые нейронные системы обладают высокой приспособляемостью и пластичностью, поэтому в них могут происходить постоянные изменения (возможно, за счет изменения силы синапсов). Эта мысль заставила меня задуматься, как происходят такие изменения. Джон Экклс был увлечен идеей, что синапсы изменяются в ответ на слишком частое использование, но, когда он ее проверил, оказалось, что такие изменения сохраняются недолго. «К сожалению, — писал он, — до настоящего времени не удалось экспериментально показать, что слишком частое использование вызывает длительные изменения синаптической силы». Я думал, что для участия в обучении синапсы должны изменяться надолго, вплоть до того чтобы оставаться в измененном виде на протяжении всей жизни животного. Мне пришло
Я решил попытаться стимулировать нейроны аплизии, имитируя такие же сочетания сенсорных раздражителей, как те, что использовал Павлов в своих экспериментах с обучением. Даже если эти сочетания будут вызваны искусственно, полученный характер активности может выявить некоторые долговременные пластические изменения, на которые способны синапсы.
Когда я всерьез задумался об этих вопросах, я понял, что мне понадобится переформулировать теорию Кахаля о том, что обучение видоизменяет силу синаптической связи между нейронами. Кахаль считал обучение единым процессом. Поскольку я был знаком с бихевиористскими работами Павлова и последующими когнитивными исследованиями Бренды Милнер, я осознал, что существует много разных форм обучения, вызываемых различными раздражителями и их сочетаниями, и что из них возникают две совершенно разные формы хранения памяти.
Поэтому я развил идею Кахаля следующим образом.
Я предположил, что разные формы обучения вызывают нейронную активность разного характера и что в зависимости от этого определенным образом изменяется сила синаптических связей. Когда такие изменения сохраняются, происходит и сохранение памяти.
Когда я переформулировал теорию Кахаля в этих терминах, я задумался, как преобразовать поведенческие эксперименты Павлова в нейробиологические. В конце концов, привыкание, сенсибилизация и выработка классических условных рефлексов (три формы обучения, описанные Павловым) по сути представляют собой наборы инструкций того, как должен действовать тот или иной сенсорный раздражитель, отдельно или в сочетании с другим, чтобы обеспечить обучение. Мои нейробиологические исследования нужно было спланировать так, чтобы они позволили определить, будут ли разные сочетания раздражителей, действующих по образцу павловских форм обучения, вызывать разные формы синаптической пластичности.
Например, при привыкании животное, на которое неоднократно действуют слабым или нейтральным сенсорным раздражителем, обучается распознавать этот раздражитель как несущественный и игнорировать его. Когда раздражитель сильный, как при сенсибилизации, животное распознает его как опасный и обучается усиливать защитные рефлексы, готовясь к отдергиванию конечности или бегству. При этом даже совершенно безвредный раздражитель, действующий на животное вскоре после этого, вызывает усиленную защитную реакцию. Когда нейтральный раздражитель сочетается с потенциально опасным, как при выработке классических условных рефлексов, животное обучается реагировать на нейтральный раздражитель как на сигнал опасности.
Я подумал, что у меня должно получиться вызывать в нейронных проводящих путях аплизии активность, сходную по характеру с той, которая возникает у животных в ходе подобного обучения. Тогда я мог бы установить, как меняются синаптические связи в зависимости от сочетания раздражителей, обеспечивающих разные формы обучения. Я называл этот подход нейронными аналогами обучения.
К этой идее меня привел эксперимент, о котором стало известно в то самое время, когда я раздумывал о начале экспериментов с аплизией. В 1961 году Роберт Доути из Мичиганского университета в Энн-Арбор сделал замечательное открытие, связанное с классическими условными рефлексами. Он стимулировал слабым электрическим током участок мозга собаки, управляющий зрением, и отметил, что такая стимуляция вызывает
Это был большой шаг вперед для редукционистского подхода в исследовании поведения, но нервные аналоги обучения, которыми я хотел заниматься, требовали сделать еще два шага. Во-первых, вместо того чтобы проводить эксперименты на целых животных, я решил выделять их нервную систему и работать на отдельном ганглии — узле из пары тысяч нервных клеток. Во-вторых, я решил выбрать отдельную нервную клетку (клетку-мишень) в этом ганглии и использовать ее как модельный объект для изучения изменений в синапсах, которые могут происходить в результате обучения. Затем я собирался воздействовать электрическими импульсами разного характера, по образцу импульсов, сопровождающих различные формы обучения, на определенный пучок аксонов, ведущий от сенсорных нейронов поверхности тела аплизии к клетке-мишени.
Чтобы исследовать привыкание, я собирался воздействовать на этот нейронный проводящий путь серией слабых электрических импульсов. Для исследования сенсибилизации я планировал один или несколько раз очень сильно стимулировать другой проводящий путь и посмотреть, как это будет влиять на реакцию клетки-мишени на слабую стимуляцию первого пути. Наконец, чтобы исследовать выработку классического условного рефлекса, я собирался воздействовать сильным стимулом на второй путь в сочетании с воздействием слабым стимулом на первый таким образом, чтобы сильный стимул всегда следовал за слабым и мог ассоциироваться с ним. Тем самым я собирался выяснить, меняют ли эти три типа стимуляции синаптические связи других нейронов с клеткой-мишенью и если меняют, то как. Разные изменения синаптической силы, происходящие в ответ на три разных типа электрической стимуляции, будут аналогами, то есть нейробиологическими моделями, синаптических изменений, происходящих в нервной системе аплизии в процессе обучения соответствующих трех типов.
Мне хотелось, чтобы эти нейронные аналоги позволили ответить на один ключевой вопрос: как меняются синапсы в результате воздействия разных сочетаний строго определенных электрических стимулов, имитирующих сенсорные раздражители, используемые в трех основных экспериментах с обучением. В частности, как изменяются синапсы, когда, как при выработке классических условных рефлексов, слабая стимуляция одного проводящего пути непосредственно предшествует сильной стимуляции другого пути, а значит, предсказывает ее.
Чтобы ответить на этот вопрос, в январе 1962 года я подал заявку на постдокторскую стипендию Национальных институтов здоровья, которая позволила бы мне работать 8 лаборатории Тауца. Моя конкретная цель состояла в том, чтобы «исследовать клеточные механизмы электрофизиологической выработки условного рефлекса и работы синапсов в простой нервной сети. <…> Это исследование будет попыткой разработать методы, позволяющие вырабатывать условные рефлексы в простых препаратах и анализировать некоторые нейронные элементы этого процесса. <…> В перспективе цель состоит в том, чтобы „поймать“ условно-рефлекторную реакцию в наименьшей возможной популяции нейронов, что позволит изучать активность задействованных клеток с помощью многих микроэлектродов».
Я закончил свою заявку следующими словами: «Явная гипотеза настоящего исследования состоит в том, что потенциальная способность к элементарным условно-рефлекторным пластическим изменениям является неотъемлемым и фундаментальным свойством всех, как простых, так и сложных, форм совместной работы нейронов центральной нервной системы».
Я собирался проверить идею, что клеточные механизмы, лежащие в основе обучения и памяти, скорее всего, эволюционно консервативны, поэтому их можно обнаружить и у простых животных даже при искусственной стимуляции их нервной системы.