МЕТАМОРФОЗЫ МУЧНЫХ ХРУЩАКОВ
Как вы помните, уже в XIX веке психологи и физиологи были убеждены, что следы памяти связаны с изменениями в молекулах мозгового вещества. Однако идея, высказанная в столь общей форме, немногим отличалась от идеи восковой дощечки и за неимением более точных данных подробно не обсуждалась. Открыв и исследовав нейрон, физиология увлеклась им надолго; этому увлечению способствовало сходство в поведении нейронов и элементов вычислительных машин, на которое настойчиво указывали первые кибернетики. Мак-Каллох и Питтс разработали абстрактную модель нейрона, рассматривая его как автомат, имеющий конечное число дискретных (прерывистых) внутренних состояний. У нейрона получилось два возможных состояния — возбужденное и невозбужденное. Объединив нейроны в сеть, Мак-Каллох и Питтс получили первую модель нервной системы. Вслед за этим наступила эпоха дискуссий о том, является ли мозг машиной или не является, можно ли построить машину, которая мыслила бы, как мозг, могут ли машины мыслить и т. д. и т. п. Несмотря на замечание Джона фон Неймана насчет того, что элементы машин действуют последовательно, а элементы мозга параллельно, дискуссия длилась едва ли не четверть века. Тем временем ученые, не принимавшие участия в дискуссии, обнаружили, что с нейронной активностью связаны лишь процессы кратковременной памяти, а долговременная, сравнительно безразлично относившаяся к электрошоку, должна иметь иную природу. Какую же? Взоры исследователей обратились к молекулам, о которых к тому времени было уже известно гораздо больше, чем в конце XIX века.
В том же 1943 г., когда Мак-Каллох и Питтс выпустили из кувшина демона моделирования, чья тень все еще будоражит умы, шведский гистохимик Холдер Хиден обнаружил, что во время возбуждения нервной системы в нейронах усиливается синтез нуклеиновых кислот и белков. В самом этом факте не было ничего удивительного, Будь жив Геринг, он сказал бы, что то же самое происходит и в упражняющейся мышце. Но Хиден уже не мог удовлетвориться таким объяснением. На его глазах молекулярная биология двигалась к расшифровке кода наследственности, нуклеиновые кислоты, ДНК и РНК, становились героями дня. Если в них записаны все наши инстинкты и безусловные рефлексы, то почему бы им не послужить дощечкой для записи повседневного опыта? Какой же из кислот отдать предпочтение? ДНК хранит наследственную информацию. Значит, РНК? Недаром же за несколько минут количество РНК в работающем нейроне увеличивается на целую треть. Очевидно, циркулирующие по нейронным цепям импульсы нарушают равновесие ионов в молекуле РНК, ее звенья, нуклеотиды, делаются неустойчивыми и перестраиваются в такой последовательности, какую диктует им частотная характеристика импульса. Информация, записанная в этой характеристике, перекодируется на молекулу РНК, а оттуда на синтезируемый ею белок и хранится теперь вечно, повторяясь в конфигурации обновляющихся белков автоматически. Молекула белка становится чувствительной к «своим» импульсам, узнает их и сообщает об этом высвобождением медиаторов, которые и переносят «импульсы узнавания» с нейрона на нейрон при новой циркуляции, сопровождающей воспроизведение. Такая схема сложилась у Хидена к началу 60-х годов, и он принялся за проверку своей гипотезы. Методика опытов была проста. Хиден натягивает проволоку по диагонали; на полу сидит крыса, наверху, где кончается проволока, на дощечке лежит пища. Крыса бежит к пище и попутно учится балансировать. Затем Хиден умерщвляет ее и сравнивает нуклеотидный состав нейронов ее двигательных зон с таким же составом у необученной крысы. Соотношение нуклеотидов в нейронах после обучения меняется, и Хиден убежден, что в этом изменении и зашифрован навык балансировки. Новый опыт. Хиден обучает крысу стучать правой лапой, а потом переучивает ее: дает пищу, только когда она застучит левой. Дальше обучение идет в обратном порядке: от левой к правой. И всякий раз у нейронной РНК в двигательной коре меняется расположение и состав нуклеотидов.
Исследования Хидена произвели сильное впечатление на всех, кто интересовался субстратом памяти. В самом деле, если не нуклеотиды, то что же еще? И вот уже психолог из Мичиганского университета Джемс Мак-Конелл получает сведения о связи РНК с памятью планарий — плоских реснисчатых червей, живущих под камнями у берегов рек и озер и, подобно многим своим собратьям, способных к регенерации. Планария обладает крошечным скоплением нервных клеток, ганглием, а посему способна дня на три усвоить простейший навык — оборонительный рефлекс. Мак-Конелл обучал планарий реагировать на свет как на условный раздражитель, подкрепляя его безусловным — электрическим током. Когда планария запоминала, что от света надо уползать, как от тока, начиналось самое главное. Мак-Конелл разрезал планарию пополам, а через месяц из этих половинок вырастали две новые планарии. И обе половинки обучались реагировать на свет уже не после ста пятидесяти, как прежде, а всего лишь после сорока сочетаний условного рефлекса с безусловным. Хвост помнил то, что запомнила голова с ганглием, и передал память новой голове. Мак-Конелл отрезал у необученной планарий хвост и обучил голову, не вдожидаясь, пока у нее вырастет хвост. Когда хвост вырос, он его тоже отрезал и подождал, пока у него не вырастет голова. Новая голова оказалась сообразительной; что-то передалось от первой головы хвосту, а от него второй голове. Сам хвост был туп, но если у него прежде была голова и эту голову учили, хвост получал от нее какие-то крохи знаний и передавал их новой голове. С чем же передавались эти крохи? Снова Ман-Конелл обучил планарию реагировать на свет, снова разрезал ее и поместил половинки не в воду, а в раствор рибонуклеазы — фермента, расщепляющего РНК. Если дело в РНК, воспоминания вылетят у планарий и из головы и из хвоста. Воспоминания вылетели, но только из хвоста. То ли дело было не в РНК, то ли голова была лучше защищена от РНК-азы, чем хвост. Тут из госпиталя в Олбани поступило сенсационное сообщение о «сайлерт-эффекте». Доктор Юэн Камерон стал кормить своих пациентов, дошедших из-за прогрессирующего склероза до полного слабоумия, пилюлями сайлерта, вещества, стимулирующего синтез РНК, и пациенты стали и соображать и кое-что вспоминать. Идея! Ведь планарии, кроме регенерации, славятся еще и каннибализмом: перед спариванием они приходят в такой экстаз, что начинают пожирать друг друга. И вот уже каннибалы, съевшие обученных планарий, становятся гораздо сообразительнее тех, кто сожрал необученных, а Мак-Конелл получает прозвище Мак-Каннибала. Па Международном конгрессе психологов 1966 г., рассказывая о своих опытах, он заявляет, что те древние племена, которые поедали своих мудрецов, руководствовались верным чутьем, и что всех сидящих в этом зале, не исключая и его самого, надо когда-нибудь превратить в пилюли и прописывать студентам. Мак-Конеллу возражают: молекулы РНК и белков должны при пищеварении расщепляться. Мак-Конелл парирует: как раз планарии всасывают РНК без расщепления. Люди — другое дело, по Камерон и не рассматривал сайлерт как информационное вещество, он просто думал, что раз в умственных процессах активизируется синтез РНК, то надо одряхлевшему мозгу помочь с этим синтезом.
Опыты Мак-Конелла решили повторить на кафедре высшей нервной деятельности Московского университетета. После рибонуклеазы планарии забывали все. Но как действует рибонуклеаза, неужели прямо просачивается через кожу? Хорошо бы ввести ее прямо в ганглий и посмотреть, что из этого выйдет. Московские планарии слишком малы для такой операции, и москвичи отправились экспериментировать на Байкал, где живут планарии длиной в сорок сантиметров. После введения РНК-азы в ганглий байкальские вели себя не лучше московских. Нина Александровна Тушмалова выяснила также, что РНК-аза мешает выработке нового рефлекса, а старый только тормозит. Через некоторое время после РНК-азы планарии вспоминают то, чему их прежде учили. Выходит, следы содержатся не в РНК, и Хиден неправ. Но где же они содержатся? Тем временем в Пущине тоже начали экспериментировать над планариями, но по иной методике: кусочки обученных планарий пересаживали необученным, и кусочки не только приживались, но и передавали свои знания новым хозяевам. От планарий перешли к мучному хрущаку, который принадлежит к особям не регенерирующим, а метаморфозирующим — проходит стадии превращения яйца в личинку, личинки в куколку и куколки в насекомое. В процессе метаморфоза у хрущака перестраивается все тело, но часть нервных клеток, регулирующих перестройку, сохраняется на всех стадиях в неприкосновенности. Хрущака и его личинку научили оборонительному рефлексу, движению по лабиринту в нужном направлении и оставили в покое до тех пор, пока личинка не превратилась в жука, а жук не достиг зрелости. Пожилой жук успел подзабыть свой рефлекс, зато юный сдал экзамен на отлично. Опыт, полученный от личинки, так врезался в его ганглий, что его невозможно было даже научить ничему новому, и исследователи решили, что метаморфоз сыграл в его жизни роль самоусилителя следов: сохранившиеся от личинки нервные клетки создали новые клетки по своему образу и подобию. Что касается образа и подобия, то кто же мог их нарисовать, как не нуклеиновые кислоты? Но отчего же тогда планарии вспоминали свой опыт после РНК-азы? Ах, да причем тут планарии, твердили энтузиасты нуклеинового кодирования, когда уж дело дошло до крыс, этого классического объекта современной психологии, так сказать психологических дрозофил. Профессор Аллан Джекобсон из Калифорнийского университета обучал крыс бегать по звуку трещотки к кормушке, потом брал у них из мозга РНК и вводил необученным. После этой операции необученные крысы при первых же щелчках бросались к кормушке, бросались даже те, кому вводили РНК, взятую не от крыс, а от обученных хомяков, их двоюродные братьев. А вы говорите — планарии!
Да, именно планарии, возражали Джекобсону скептики. Неспроста каннибалы становились сообразительными даже тогда, когда их жертв ничему не учили, а просто подвергали действию света или тока. РНК это не переносчик навыка, а стимулятор обучения. Журнал «Science» напечатал заявление представителей шести институтов, которым не удалось получить те же результаты, что и Джекобсону. Не получили их и биологи из МГУ, усомнившиеся в джекобсоновской сенсации. Бесспорными остались два факта — улучшение памяти у пациентов Камерона и тормозящее влияние РНК-азы на выработку рефлексов у планарий. Что же именно разрушает РНК-аза? Выяснить это решено на кроликах и крысах. Для контроля РНК-азу ввели в зрительную и двигательную кору: кролики продолжали исправно дергать зубами за кольцо, за что и получали в награду морковку или одуванчик. А теперь — в гиппокамп! Так и есть: кролики в полном смятении. РНК-аза — аналог электрошока: препятствуя синтезу РНК, она препятствует и консолидации следов.
Опыты варьируются и так и этак, вывод же из них напрашивается только один: РНК это катализатор нервного процесса, не больше. Она повышает клеточную возбудимость и облегчает циркуляцию импульсов. Все рефлексы в конце концов восстанавливаются, а это значит, что следы записываются не на РНК.
Хорошо, но ведь доказал же Хиден, что после обучения в молекулах РЫК меняется соотношение нуклеотидов. Это не меняет дела, утверждает профессор Ф. 3. Меерсон. Такую же перестройку можно наблюдать не только в РНК мозговых клеток, но и в молекулах других органов, например в сердце, если заставить работать его с усиленной нагрузкой. Все это неспецифический, вторичный эффект. Под влиянием подобных возражений и собственных размышлений Хиден больше не настаивает на РНК. У Хидена возникает новая схема: запись начинается все-таки с ДНК: хоть она и занята передачей наследственной информации, в ее молекулах найдется место и для индивидуального опыта. Остается решить, где скапливается тот белок, который будет хранить запись, узнавать свои импульсы и запускать циркуляцию при воспроизведении. Возможно, его место в постсинаптической мембране — в той части нейрона, куда сигнал приходит вместе с медиатором от соседнего нейрона.
Но почему речь должна идти только о нейронах и их молекулах? Ведь нейронные цепи окружены глиальными клетками, которых раз в десять больше, чем самих нейронов. А что, если глия тоже участвует в записи следов? Такую гипотезу еще до каннибалических сенсаций выдвинул американский нейрофизиолог Роберт Галамбос. Было известно, что глия поставляет нейронам материал для РНК. Галамбос же стал доказывать, что не только поставляет, но и программирует работу нейронов, сообщает им, в какой последовательности им следует работать. Профессор Эйди, тоже американец, обнаружил, что глиальные клетки, вплотную прилегающие к нейронам, долго сохраняют изменения в своей способности проводить ток. Может быть, говорил он на конференции по биокибернетике в 1971 г., в Ростове-на-Дону, изменения в глие влияют на нейронные импульсы, и это влияние не лишено информативного содержания. Пущинские биологи измерили, сколько же времени глня хранит следы активности нейрона. Оказалось, десятки часов: может быть, Эйди и прав. Но Cамое, пожалуй, интересное удалось открыть члену-корреспонденту АН СССР А. И. Ройтбаку. Прямо в микроскоп Ройтбак наблюдал, как под действием медиаторов отростки глиальных клеток вытягиваются к месту выделения медиатора. Это был самый настоящий таксис, автоматический рефлекс, который мы наблюдали у асцидий и гусениц. Всякий таксис, как и обновление состава РНК, это зачаточная, или донервная, память, это всего лишь «изменение от употребления», подобное изменению в мышцах. Ф. 3. Меерсон считает, что лучшего определения памяти вообще, чем «изменение от употребления», в наши дни не придумаешь: кратко и исчерпывающе. Но если миллиарды наших «асцидий» будут реагировать все вместе, да еще согласованно и непрерывно, не сложится ли из этих квинтиллионов таксисов гигантское, многоуровневое и динамичное хранилище следов, которое будет уже не донервным, а вполне нервным, не механическим, а полным глубокого значения?
