В поисках памяти - Кандель Эрик Ричард (книги серии онлайн .txt) 📗
Последней из причин, побудивших меня заняться исследованиями генетически модифицированных мышей, стал приход в нашу лабораторию нескольких талантливых постдоков, среди которых были Сет Грант и Марк Мейфорд. Грант и Мейфорд намного лучше меня разбирались в генетике мышей и сильно повлияли на направление наших исследований. Грант был инициатором начала работ с генетически модифицированными мышами, а критическое мышление Мейфорда сыграло важную роль впоследствии, когда мы начали совершенствовать методы, которые использовали для первого поколения экспериментов по генетике поведения мышей.
Первые использованные нами методы получения трансгенных мышей сказывались на всех без исключения клетках в организме мыши. Нам нужно было найти способ ограничить свои генетические манипуляции мозгом, а именно теми его участками, в которых формируются нейронные цепи, обеспечивающие работу эксплицитной памяти. Мейфорд разработал приемы, позволяющие ограничить экспрессию внедренных в геном мыши генов определенными участками мозга. Он также разработал метод, позволяющий управлять временем экспрессии генов в мозгу, включая и выключая их. Эти достижения начали очередной этап нашей работы и нашли широкое применение у других исследователей. Они остаются краеугольными камнями современных методов изучения поведения на генетически модифицированных мышах.
Первые попытки связать долговременную потенциацию с пространственной памятью были предприняты в конце восьмидесятых. Ричард Моррис, физиолог из Эдинбургского университета, показал, что, блокируя NMDA-рецепторы определенными препаратами, можно блокировать и долговременную потенциацию, тем самым мешая работе пространственной памяти. Мы с Грантом в Колумбийском университете и Сусуму Тонегава и его постдок Алсино Силва в Массачусетском технологическом институте независимо друг от друга сделали еще один важный шаг вперед в этом направлении. Нашим группам удалось получить генетически модифицированных мышей по одной линии, у которых отсутствовал важный белок, который, как считалось, задействован в долговременной потенциации. Затем мы исследовали, как изменилось поведение генетически модифицированных мышей по сравнению с нормальными мышами.
Мы проверяли способности этих мышей, наблюдая за тем, как они выполняют некоторые стандартные задания по ориентации в пространстве. Например, мы помещали мышь в центр большой, хорошо освещенной круглой площадки белого цвета, вдоль края которой расположены сорок отверстий. Только одно из этих отверстий вело в убежище. Площадка находилась в небольшом помещении, все стены которого были украшены непохожими друг на друга узорами. Мыши не любят открытое пространство, особенно хорошо освещенное. В таких условиях они чувствуют себя беззащитными и пытаются скрыться в убежище. Единственный способ бежать с этой платформы состоял в том, чтобы найти отверстие, ведущее в убежище. Рано или поздно мышь обучается находить это отверстие, запоминая пространственную связь между ним и узорами на стенах помещения.
Пытаясь скрыться, мышь использует одну за другой три стратегии: случайную, последовательную и пространственную. Любая из этих стратегий позволяет найти нужное отверстие, но они сильно отличаются друг от друга по эффективности. Вначале мышь суется в разные отверстия в случайном порядке и быстро обучается тому, что это неэффективная стратегия. Затем она начинает последовательно изучать отверстия одно за другим, пока не находит путь в убежище. Данная стратегия лучше, но и она не оптимальна. Обе эти стратегии не относятся к пространственным: для их использования мышам не требуется иметь внутреннюю карту пространственного устройства окружающей среды, записанную в мозгу (не требуется и участие гиппокампа). Наконец мышь начинает использовать пространственную стратегию, в которой задействован гиппокамп. Она запоминает, на какую стену смотрит искомое отверстие, и направляется к нему по прямой, ориентируясь по узорам на стенах. Большинство мышей быстро проходит первые две стратегии и вскоре обучается использовать пространственную.
Затем мы сосредоточились на изучении долговременной потенциации в одном проводящем пути гиппокампа — так называемых коллатералях Шаффера. Ларри Сквайр из Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружил, что повреждения этого пути вызывают нарушения памяти, похожие на те, которыми страдал Г. М. (пациент Бренды Милнер). Мы установили, что, нокаутируя определенный ген, который кодирует белок, играющий важную роль в долговременной потенциации, можно нарушить синаптическое усиление в коллатералях Шаффера. Кроме того, с этим генетическим нарушением у мышей было связано нарушение пространственной памяти.
Лаборатория в Колд-Спринг-Харбор каждый год проводит симпозиум, посвященный какой-то одной важной биологической теме. Темой симпозиума 1992 года была поверхность клеток, но, поскольку наши исследования и исследования Сусуму Тонегавы сочли достаточно интересными, ради нас решили устроить отдельную секцию, не связанную с поверхностью клеток, чтобы мы могли выступить на ее заседании. Мы с Тонегавой представили наши эксперименты, посвященные тому, как нокаутирование единственного гена подавляет и долговременную потенциацию в одном из проводящих путей гиппокампа, и пространственную память. Эти наблюдения были пределом того, что было известно не тот момент о связи долговременной потенциации с пространственной памятью. Вскоре после этого мы оба сделали еще один шаг вперед, изучив связь долговременной потенциации с пространственной картой окружающей среды, представленной в гиппокампе.
До этого симпозиума мы с Тонегавой были немного знакомы. В семидесятых годах ему удалось разобраться в генетических основах разнообразия антител. Это был выдающийся вклад в иммунологию, за который в 1987 году он получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Оставив позади это достижение, он решил обратиться к нейробиологии и завоевывать новые научные миры. Он дружил с Ричардом Акселем, который и предложил ему встретиться со мной.
В 1987 году, когда Тонегава пришел ко мне, его особенно интересовала проблема сознания. Я старался поддержать его интерес к нейробиологии, но в то же время убедить отказаться от идеи изучать сознание, потому что для того времени эта область была слишком сложной и неопределенной, чтобы применять к ней молекулярный подход. Сусуму уже использовал генетически модифицированных мышей для изучения иммунной системы, поэтому намного более естественным и практичным выбором для него было обратиться к исследованию обучения и памяти, что он и сделал, когда в его лабораторию пришел Силва.
После 1992 года многие другие исследовательские группы тоже получили результаты, аналогичные нашим. Хотя связь между нарушениями долговременной потенциации и проблемами с пространственной памятью и не наблюдается в некоторых довольно важных случаях, тем не менее эта связь оказалась подходящим предметов исследования для изучения молекулярных механизмов долговременной потенциации и роли этих механизмов в работе памяти.
Мне было известно, что у мышей пространственная память, как и имплицитная память аплизий и дрозофил, состоит из двух компонентов: кратковременной памяти, которая не требует синтеза белков, и долговременной, которая требует его. Теперь мне хотелось выяснить, задействованы ли в формировании эксплицитной кратковременной и долговременной памяти особые синаптические и молекулярные механизмы. У аплизии формирование кратковременной памяти требует кратковременных синаптических изменений, вызываемых исключительно работой вторичных посредников. Для долговременной же требуются более устойчивые синаптические изменения, также основанные на изменениях в экспрессии генов.
Мы с коллегами исследовали срезы гиппокампа генетически модифицированных мышей и обнаружили, что в каждом из трех главных проводящих путей гиппокампа долговременная потенциация включает две фазы, похожие на фазы долговременного усиления связей у аплизии. Однократное воздействие серией электрических разрядов вызывает непродолжительную раннюю фазу долговременной потенциации, которая длится всего час, два или три и не требует синтеза новых белков. Реакция нейронов на подобную стимуляцию была именно такой, как ее описывал Роджер Николл: в постсинаптической мембране активировались NMDA-рецепторы, обеспечивая приток ионов кальция в постсинаптическую клетку. Кальций при этом действует как вторичный посредник, запуская долговременную потенциацию за счет усиления реакции AMPA-рецепторов на глутамат и стимуляции встраивания новых AMPA-рецепторов в постсинаптическую мембрану. Кроме того, в ответ на стимуляцию определенного характера постсинаптическая клетка может посылать сигнал в обратную сторону, в пресинаптическую клетку, чтобы та выделяла больше глутамата.
