Геном

Долговременная потенциация, также, как и процесс обу­чения морских червей, полностью основана на изменении физиологических свойств синапсов. В данном случае из­меняется проводимость синапсов между сенсорными и пи­рамидальными нейронами. Изменение свойств синапсов происходит с участим интегрина. Интересно, что блокиро­вание инегрина не мешает возникновению ассоциации, но препятствует закреплению этой ассоциации на длительное время. Вероятно, от интегрина как-то зависит прочность образовавшегося синапса.

Рассмотрев приведенные выше примеры, можно предпо­ложить, что память хранится в пирамидальных нейронах. Воспоминания о детстве вообще не связаны с гиппокам- пом. Они хранятся в коре головного мозга. В гиппокампе происходит подготовка материала для длительного запо­минания. Каким-то образом вновь появившиеся ассоциа­ции передаются в кору головного мозга для длительного хранения. Мы знаем это благодаря врачебным описаниям последствий нескольких трагических несчастных случа­ев, произошедших в 50-х годах прошлого столетия. Один из пациентов, известный в научной литературе как Н.М., перенес лоботомию, необходимую для прекращения при­падков эпилепсии, которые появились у него после аварии на велосипеде. Другой пациент, известный как N.A., был оператором авиационного радара. Однажды он собирал модель самолета за своим столом, чтобы скоротать время. Так случилось, что он отвлекся от своего занятия и резко повернулся. В это время его товарищ, тоже видимо от ску­ки, упражнялся с рапирой и как раз делал выпад вперед. Рапира прошла через ноздрю прямо в мозг несчастного.

Оба человека по сей день страдают амнезией. Они пом­нят только то, что было с ними в детстве и в молодости, но память резко обрывается на событиях, происшедших за несколько лет до несчастного случая. Они помнят и мо­гут повторить то, что произошло несколько минут назад, если не перебить их. Но стоит их отвлечь, и память момен­тально стирается. Кратковременная память не переходит в долговременную. Они не помнят лиц людей, с которыми встречаются каждый день на протяжении всех лет после не­счастного случая. N.A., у которого амнезия в более легкой форме, жаловался, что не может смотреть фильмы, так как за время рекламы полностью забывает, о чем был фильм.

Н.М. может усваивать новые практические навыки и лег­ко затем использует их в жизни, однако не помнит, когда он этому научился и кто его учил. Все вышеизложенное свиде­тельствует о том, что процессуальная память формируется иначе и отделена от декларативной памяти фактов и собы­тий. Это различие между типами памяти подтверждается другими наблюдениями. Так, были описаны случаи амне­зии у трех юношей, которые не могли запоминать факты и события, но, тем не менее, закончили школу, поскольку чтение, письмо и решение задач давались им без видимых затруднений. Сканирование мозга показало, что у всех трех юношей размер гиппокампа меньше, чем у других людей (Vargha-Khadem F. et al. 1997. Differential effects of early hip- pocampal pathology on episodic and semantic memory. Science 277: 376-380).

Сейчас уже мы не только знаем, что запоминание проис­ходит с участием гиппокампа, но можем предположить, как это происходит. У пациентов Н.М. и N.A. были повреждены участки мозга, связывающие между собой две области обра­ботки и хранения памяти — серединная часть височной доли большого мозга (была удалена у Н.М.) и промеясуточный мозг (частично поврежден у N.A.). Базируясь на этих дан­ных, неврологи постепенно сузили область поиска основ­ного центра памяти до области, называемой околоносовым кортексом. В этой области сигналы от зрительных, слухо­вых, обонятельных и других сенсорных нервов обрабаты­ваются и превращаются в ассоциативную память, вероят­но, при активном участии белка CREB. Затем информация передается в гиппокамп, а оттуда — в промежуточный мозг для временного хранения. Если информация окажется вос­требованной, то она передается для длительного хранения в кору головного мозга. Вам знаком этот странный момент, когда вы вдруг ловите себя на том, что можете вспомнить номер телефона, не заглядывая в записную книжку. Просто ночью во время сна информация из промежуточного мозга была помещена в кору головного мозга. В экспериментах на крысах было показано, что нейроны промежуточного мозга активизируются ночью.

Мозг человека — гораздо более впечатляющее творение, чем геном. Триллионы синапсов, образующих трехмерную сеть, несут в себе несравнимо больше информации, чем миллионы нуклеотидов, выстроенных в линейную нить. Мозг — не только хранилище данных, но также самый мощ­ный компьютер для обработки этих данных. Для его функ­ционирования необходима энергия и множество белков, обеспечивающих генерирование электрических импуль­сов и химических сигналов. Насколько это сложнее молеку­лы ДНК, состоящей всего из четырех нуклеотидов! Кроме того, синапсы и нейроны постоянно меняются и восприни­мают новую информацию, даже когда вы просто смотрите вдаль. Чтобы внести изменения в геном, требуются мно­гие поколения. Мозг воспринимает информацию, которая в свою очередь изменяет мозг, делает его более ловким в восприятии и обработке информации особого типа. Этот процесс саморазвития мы называем практикой. Геном в этом плане гораздо более консервативен. На протяжении миллиардов лет одни и те же гены выполняют одни и те же функции под управлением одних и тех же механизмов контроля и регуляции. Насколько наша жизнь разнообраз­нее и богаче сухой механики генов! Остановимся на этом и вспомним, о чем предупреждал нас Джеймс Марк Болдуин и что так высоко оценили современные разработчики искус­ственного разума: генетическая наследственность и воля разума являются двумя сторонами медали. Мозг создается генами. Мозг настолько хорош, насколько хорош проект мозга, заложенный в генах. Способность мозга изменять­ся в ответ на сигналы из окружающей среды также предо­пределена генами. Великой тайной природы является то, как простой, линейный и консервативный геном может ко­дировать сложный, трехмерный и динамически развиваю­щийся мозг. Эта тайна еще ждет своих первооткрывателей, в числе которых будут не только генетики, но и киберне­тики, философы и социологи. Гены демонстрируют нам удивительный пример прогрессивной эволюции, но не за счет усиления контроля над организмом, а за счет делеги­рования своих полномочий более высокоорганизованным структурам. Нам есть чему поучиться у наших генов.

Хромосома 17 Смерть

Процесс накопления знаний означает не только воз­никновение новых связей между нейронами, но и удаление старых связей. В мозгу эмбриона нервные клетки образу­ют значительно более сложную сеть взаимосвязей, многие из которых разрываются и исчезают по мере взросления. Например, у новорожденных половина клеток зрительной коры головного мозга получает импульсы сразу от обоих глаз. Вскоре после рождения в результате радикального об­резания лишних аксонов происходит разделение зритель­ной коры больших полушарий на области, которые обраба­тывают информацию только от левого или правого глаза. Удаление несущественных связей ведет к функциональной специализации областей мозга. Точно так же скульптор ска­лывает лишние части в глыбе мрамора, чтобы освободить скрытое в ней произведение искусства. У слепых от рож­дения младенцев млекопитающих специализации зритель­ной коры мозга не происходит.

Устранение лишних связей между нервными клетками означает не только разрывы синапсов. Гибнут сами клетки. Мы столько раз слышали печальную историю о том, что нервные клетки гибнут и больше не восстанавливаются. За день можно потерять до 1 млн нервных клеток. Но вот у мыши с дефектным геном ced-9 нервные клетки не умирают, что не делает ее умнее. Напротив, такую мышь ждет печаль­ный конец с огромным, но совершенно неразвитым мозгом. У эмбрионов на поздних месяцах развития и у грудных де­

тей нервные клетки гибнут в мозгу с невероятной скоро­стью. Но это не результат болезни, а способ развития мозга. Если бы клетки не гибли, мы бы не могли думать (Hakem R. et al. 1998. Differential requirement for caspase 9 in apoptotic pathways in vivo. Cell 94: 339-352).

Подталкиваемые определенными генами, к которым от­носится ген ced-9, здоровые клетки организма совершают массовый суицид. (Разные гены семейства ced вызывают гибель клеток других органов.) Гибель клеток осуществля­ется в строгом соответствии с предначертанным планом. Так, у микроскопического червя нематоды эмбрион перед рождением из яйца состоит из 1 090 клеток, но затем 131 из них погибает, оставляя взрослый организм ровно с 959 клетками. Эти клетки как будто приносят себя в жертву ради процветания организма наподобие солдат, которые с криком «За Родину» идут в смертельную атаку, или подобно рабочим пчелам, которые погибают, оставляя свое жало в теле незваного гостя. Аналогия, между прочим, не такая уж надуманная. Взаимоотношения между клетками организма действительно напоминают отношения между пчелами в улье. Предки всех клеток организма были когда-то свободно живущими одноклеточными организмами. Их «решение» организовать кооператив, принятое однажды 600 млн лет назад, было следствием тех же причин, которые заставили объединиться в семьи предков общественных насекомых (только произошло это гораздо позже, примерно 50 млн лет назад). Генетически родственные создания, в одном случае на клеточном уровне, а в другом — на уровне орга­низмов, оказались гораздо более устойчивыми к преврат­ностям судьбы, когда распределили между собой функции, оставив репродуктивную функцию в одном случае половым клеткам, а во втором — царице семейства (Ridley М. 1996. The origin of virtue. Viking, London; Raff M. 1998. Cell suicide for beginners. Nature 396:119-122).

Аналогия оказалась настолько хорошей, что позволила ученым лучше понять природу многих неинфекционных соматических заболеваний. Нередко среди солдат возни­кают мятежи, направленные против командования, да и среди пчел дисциплина поддерживается не только инстин­ктом, но и коллективной бдительностью и изгнанием лоды­рей из улья. На генетическом уровне лояльность рабочих пчел своей царице поддерживается тем, что пчелиная мат­ка спаривается сразу с несколькими самцами. Генетическая неоднородность потомства не дает возможности проявить­ся генам, направленным на развал семьи и на возврат к оди­ночному образу жизни. Проблема мятежа является острой также для клеток многоклеточных организмов. Постоянно некоторые клетки забывают о своем патриотическом дол­ге, который состоит в обеспечении всем необходимым по­ловых клеток. Вместо этого они начинают делиться и вести себя как самостоятельные организмы. В конце концов, каж­дая клетка является потомком свободно живущих предков. Прекращение деления идет вразрез с основной тенденцией развития всех живых организмов, а точнее, их генов, — вос­производить самих себя. Во всех тканях организма каждый день появляются мятежные произвольно делящиеся клет­ки. Если организм не сможет их остановить, возникает ра­ковая опухоль.

Но обычно у организма есть средства для подавления мятежа раковых клеток. Каждая клетка содержит систему генов, которые стоят на страже организма и включают про­грамму самоуничтожения при первых признаках бескон­трольного деления клетки. Наиболее известный ген кле­точного суицида, о котором написано множество статей, начиная с того дня, когда он был обнаружен в 1979 году, — это ген ТР₅₃, лежащий на коротком плече хромосомы 17. В этой главе мы расскажем о проблеме рака с точки зрения генов, чья задача состоит в обеспечении самоликвидации раковых клеток.