Геном

Другой хорошо известный опыт по обучению животных был проведен на организмах с простым строением — мор­ских червях. Более примитивных созданий трудно себе представить: тельце с веером жабр, заключенное на всю жизнь в домик-трубку. Нервная система представлена груп­пой ганглиев. Вся жизнь посвящена питанию и размно­жению при отсутствии каких-либо поводов для неврозов. Такие черви не могут мигрировать, общаться друг с другом, летать или размышлять. Они просто существуют. Можно сказать, в что отличие от кукушки или шмеля у них вообще нет поведения. Зачем таким существам инстинкты, не гово­ря уже об обучении? И все же они обучаемы.

Если направить на червя струю воды, он прячет свои жабры в трубку. Но если струю воды направлять с некоей периодичностью, то черви начинают прятать свои жабры не так интенсивно. Даже до них доходит, что регулярно по­вторяемые действия не несут в себе опасности. Они «при­выкают» к этому воздействию, а привычка — это вид обу­чения. Если несколько раз перед тем как направить струю воды на червей, воздействовать на резервуар с водой заря­дом тока, черви начнут прятать жабры гораздо интенсив­нее. Этот феномен называется сенсибилизацией. Можно вы­работать классический условный рефлекс, как в знамени­том опыте с собакой Павлова. Например, можно обучить червей прятать жабры в ответ на легкое прикосновение к поверхности воды, если пару раз сопроводить это действие разрядом тока. Теперь они станут реагировать на легкое прикосновение к поверхности воды, но будут равнодушны к обливанию струей воды. Таким образом, уже у морских червей заложены те же задатки к обучению, которые были описаны у собаки и у человека: привыкание, сенсибилиза­ция и ассоциация, но при этом у них еще не появился мозг. Все рефлексы и их изменения в ходе обучения контроли­руются брюшным ганглием — маленьким скоплением нерв­ных клеток.

У ЭрикаКанделя (Eric Kandel), исследователя, проводив­шего данный эксперимент, помимо удовольствия попугать червей, были и другие мотивы. Он хотел установить базо­вые механизмы обучаемости. Что представляет собой об­учение? Какие изменения происходят в нервных клетках, когда мозг (или брюшной ганглий) усваивает новую при­вычку или меняет поведенческую реакцию? Центральная нервная система представляет собой сеть из множества нервных клеток, вдоль которых бегут нервные импульсы, передаваемые от клетки к клетке через синапсы. Достигнув синапса, электрический сигнал преобразуется в химиче­ский, чтобы в следующей клетке вновь превратиться в электрический сигнал. Так электричка бежит по железной дороге до паромной переправы. Затем вагоны перевозятся теплоходом на другой берег водоема, где движение вновь продолжается по железной дороге. Кандель понял, что се­крет лежит в синапсах, объединяющих нейроны. Обучение каким-то образом связано с изменением физиолого-био- химических свойств синапсов. Когда морской червь при­выкает к струям воды, происходит ослабление связи в си­напсе, объединяющем сенсорный нейрон с тем нейроном, по которому поступает команда мышцам спрятать жабры в трубке. Напротив, сенсибилизация усиливает пропуск­ную способность синапса. Постепенно Кандель с коллега­ми вычислили молекулу, которая следит за усилением или ослаблением пропускной способности синапса. Этой моле­кулой оказался циклический АМФ (циклический аденозин- монофосфат).

Канделем был обнаружен и описан каскад биохимиче­ских реакций, запускаемых циклическим АМФ. Пропустим для простоты сложные химические названия соединений, обозначим их просто А, Б, В и т.д.

Вещество А превращается в вещество Б, которое активизирует вещество В, открывающее канал Г, благодаря чему в клетку поступает больше вещества Д, которое является нейромедиатором, переда­ющим сигнал через синапс от одного нейро­на к другому.

Сообщу немножко подробностей относительно этой схемы. Вещество Г присоединяется к белку CREB и акти­визирует его, изменив пространственную конфигурацию. Животные с поврежденным белком CREB могут усваивать новую информацию, но запоминают ее не дольше чем на несколько часов. Работа белка CREB направлена на вклю­чение ряда дополнительных генов, с помощью которых на длительное время изменяется форма и функциональность синапса. Один из генов, запускаемых белком CREB, назы­вается CRE. Этот ген ответственен за синтез циклического АМФ. Еще несколько деталей, и я вас окончательно запу­таю. Но чуточку внимания и терпения. Обещаю, что скоро ситуация прояснится (Schacher S. et al. 1988. cAMP evokes long-term facilitation in Aplysia neurons that requires new pro­tein synthesis. Science240: 1667-1669).

Сейчас я познакомлю вас с «тупицей». Я не хочу никого обидеть, просто так (dunce) называется мутант мушки, не­способный запомнить запах, после которого следует разряд тока. Мутант обнаружили в 1970-х годах, и он был первым в серии мутантов с проблемами обучения, полученных в опы­тах на мушках дрозофилах с помощью облучения. Мутанты отбирались по неспособности запоминать простые после­довательности событий в эксперименте. Дефектные мушки отбирались для скрещивания, в результате чего вскоре по­явилось много разных линий мутантных дрозофил: cabbage (капуста), amnesiac (амнезивный), rutabaga (брюква), radish (редиска) и turnip (репа). (В генетике дрозофилы в отличие от генетики человека нет жестких требований к именова­нию генов, поэтому ученые придумывают что хотят.) На се­годняшний день известно 17 мутаций у мушки дрозофилы, ведущих к проблемам с памятью. Воодушевленный работа­ми Канделя, Тим Тулли (Tim Tully) из известной лаборато­рии Колд-Спринг-Харбор (Cold Spring Harbor Laboratory) поставил перед собой задачу разобраться в проблемах у этих мушек, делающих их слишком забывчивыми. К радо­сти Тулли и Канделя, все обнаруженные мутации были в ге­нах, белки которых либо участвуют в синтезе циклическо­го АМФ, либо являются рецепторами данного медиатора (Bailey С. Н., Bartsch D., Kandel Е. R. 1996. Towards a mole­cular definition of long-term memory storage. Proceedings of the National Academy of Science of the USA 93: 12445-12452).

Тулли прекрасно понимал, что если с помощью направ­ленного мутагенеза ему удастся получить мутант, имеющий проблемы с обучением, то это даст ему в руки инструмент для управления обучаемостью. Повредив ген белка CREB, ученый получил мутантный вариант мух, способных к об­учению, но быстро забывающих урок. Определив ключе­вой элемент обучаемости, Тулли вскоре получил другую мутацию, которая делала мух настолько способными, что они ухватывали суть после одного упражнения, тогда как для обычных мух урок приходилось проводить десятки раз, пока они не начинали распознавать запах, после ко­торого следует разряд тока. Тулли говорил, что у этих му­шек фотографическая память, но это свойство не делало их счастливыми. Уж очень они были зависимы от услов­ностей, как мнительный человек, которому несколько раз попались статьи об авариях на велосипедах в солнечную погоду, в результате чего он отказался от поездок на вело­сипеде в светлое время суток. Мышление требует взвешен­ной работы двух процессов: запоминания и забывания. Со мной часто случается, что я точно помню, что уже читал этот текст или слушал передачу, но совершенно не помню, о чем пойдет речь дальше. Память как будто растворяется в прошлом: еще видны контуры, но уже не различимы дета­ли. Неспособность забывать, это такая же болезнь памяти, как и неспособность обучаться (Tully Т. et al. 1994. Genetic dissection of consolidated memory in Drosophila. Cell79: 39-47; Dubnau J., Tully T. 1998. Genetic discovery in Drosophila: new insights for learning and memory. Annual Review of Neuroscience 21: 407-444).

Тулли верил, что в основе всех процессов памяти лежит белок CREB, который выполняет своеобразную роль по­велителя целого сонма послушных генов. Стало ясно, что ключ к памяти лежит в генетике. Нам только показалось, что мы вышли из-под тирании генов, получив способность учиться, вместо того чтобы слепо следовать врожденным инстинктам, как тут же оказалось, что в основе обучения опять таки лежат гены, благодаря которым обучение стало возможным.

Вряд ли вас удивит тот факт, что белок CREB не является специфичным для червей и мух. Почти такой же ген есть у мышей, и уже получены мутантные мыши с дефектным ге­ном CREB. Как и предполагалось, они оказались неспособ­ными к запоминанию простейших вещей, например, где находится платформа для выхода из водного бассейна, — один из классических тестов проверки обучаемости у мы­шей. Они также не могли запомнить, какая еда безопасна, а какая содержит токсин. Любую мышь можно временно сделать забывчивой, если впрыснуть ей в мозг антисмысло­вую последовательность ДНК, временно блокирующую ген CREB. Сверхпамять и плохая забываемость соответствуют состоянию гиперактивации гена CREB (Silva A. J., Smith А. М., Giese К. Р. 1997. Gene targeting and the biology of learning and memory. Annual Review of Genetics 31: 527-546).

От генома мыши до генома человека всего один шаг. Ген CREB есть и у нас. Этот ген лежит на хромосоме 2, но на хромосоме 16 находится другой вспомогательный ген — CREBBP, который также вовлечен в процесс управления па­мятью. На хромосоме 16 лежит еще один ген памяти, коди­рующий альфа-интегрин, что и дало мне право посвятить данную главу этой теме.

У плодовых мушек циклический АМФ наиболее ак­тивно синтезируется в особом отделе мозга, называе­мом грибовидным тельцем; он представляет собой группу нейронов, вздымающуюся в виде грибовидного отростка над и без того крошечным мозгом едва заметной мушки. Если в мозгу мухи нет грибовидного тельца, она полностью теряет способность к обучению в тестах с запахами и элек­трическим разрядом. Грибовидное тельце выступает чем-то вроде офиса для белка CREB и циклического АМФ. Только сейчас мы начинаем понимать, как работает эта система. Проведя систематический поиск мутантов, имеющих про­блемы с обучением, Рональд Дэвис (Ronald Davis), Майкл Гротеуил (Michael Grotewiel) и их коллеги в Хьюстоне от­крыли у дрозофил еще одну мутацию, которую назвали vo- lado. (Это слово на сленге чилийских студентов обозначает неуклюжего и рассеянного человека. Именно так студенты Сантьяго называют своих профессоров.) Также, как и в слу­чае с мутациями dunce, cabbage и rutabaga, мушки-volado испы­тывают проблемы с запоминанием простых тестов, но в от­личие от других мутаций ген volado не имеет ничего общего с циклическим АМФ и с белком CREB. Данный ген кодирует рецептор белка, называемого альфа-интегрином, который также синтезируется в грибовидном тельце. Скорее всего, этот белок управляет образованием новых синапсов между нейронами и интеграцией их в сеть.

Чтобы проверить, не является ли этот ген «геном китай­ских палочек» (см. главу 12), т.е. не является ли его влияние на память опосредованным ухудшением общего состояния здоровья мушки, исследователи из Хьюстона провели ве­ликолепно спланированный эксперимент. В яйцеклетки мушек с разрушенным геном volado они вставили генетиче­скую кассету с активной копией этого гена. Секрет заклю­чался в том, что на кассете ген volado функционально был связан с белком «теплового шока», т.е. ген volado включался в работу только вслед за своим соседом, для активизации ко­торого необходимо повышение температуры воздуха. Если температура комнатная, мушек невозможно ничему обу­чить. Немного поднимаем температуру — и мушки начина­ют прекрасно запоминать тест, но несколькими часами поз­же, когда организм мушек адаптируется к тепловому шоку, их способность к обучению сходит на нет. Эксперимент показал, что продукт гена volado необходим во время обуче­ния, т.е. он не только создает предпосылки для обучения, но является инструментом, с помощью которого информа­ция записывается в мозг (Davis R. L. 1993. Mushroom bodies and Drosophila learning. Neuron 11: 1-14; Grotewiel M. S. et al. 1998. Integrin-mediated short-term memory in Drosophila. Nature 391: 455-460).

Тот факт, что белок, роль которого состоит в управлении образованием синапсов, является ключевым элементом запоминания, наводит нас на мысль, что память сама по себе является совокупностью синапсов между нейронами. Изучая что-либо, мы изменяем физическую сеть нейронов мозга таким образом, чтобы с помощью образования новых связей там, где их раньше не было или они были слабы, за­писать в памяти новую информацию. Я готов принять, что память работает именно так, но постичь этот процесс я не могу. Каким образом слово «volado» может быть представле­но комбинацией синапсов? Чтобы понять это, моему мозгу явно не хватает синапсов. Впрочем, проблема памяти не станет проще, если свести ее к комбинациям молекул в ней­ронах. Ученым предстоит раскрыть еще одну грандиозную тайну человечества — тайну памяти. Каким сверхмощным компьютером нужно обладать, чтобы разобраться в хи­тросплетениях миллиардов нейронов, которые не только предоставляют механизм памяти, но сами и являются па­мятью! По-моему, это куда более сложная и интригующая тема, чем квантовая физика, не говоря уже о всякой ерунде, связанной с летающими тарелками.

Давайте познакомимся с тем, что уже известно об этой великой тайне. Обнаружение мутации volado подбросило нам гипотезу, что интегрин играет ключевую роль в процес­сах обучения и запоминания. Но еще раньше у ученых уже были сведения о важности интегрина. Так, к началу 1990-х годов уже было известно, что лекарства, блокирующие ин­тегрин, влияют на память. Особо сильное воздействие эти препараты оказывают на процесс длительной потенциации, т.е. на долговременную и ассоциативную память. В глубине мозга находится структура, называемая гиппокампом (от греч. hippocampus — морской конек). Часть гиппокампа назы­вают рогом Амона (древнеегипетский бог, которого часто изображали в виде козла или барана и которого Александр Македонский объявил своим отцом после таинственного посещения им оазиса Сива в Ливии). В роге Амона собрано множество пирамидальных нейронов (опять ассоциация с Древним Египтом), к которым подходят многочисленные отростки сенсорных нейронов. Пирамидальный нейрон довольно трудно активизировать. Для этого требуется по крайней мере несколько импульсов, пришедших одновре­менно от разных сенсорных нейронов. После активизации пирамидальный нейрон становится более чувствительным, но его чувствительность избирательна. Он реагирует толь­ко на сигналы от тех нейронов, которые активизировали его. Так, вид пирамиды и слово «Египет» могут образовать пару с общим пирамидальным нейроном, в результате чего один сигнал вызывает ассоциацию с другим сигналом. В то же время словосочетание «морской конек», даже если сиг­нал от него направляется к тому же самому пирамидально­му нейрону, не вызывает ассоциаций ни с пирамидами, ни с Египтом, поскольку сигналы не были одновременными. Это пример работы процесса длительной потенциации. Возможно, теперь, если вы услышите слово «Египет», вам вспомнится пирамидальный нейрон. Это значит, что у вас в гиппокампе сложилась еще одна ассоциация.