В поисках памяти

Говард Хьюз был творческим и эксцентричным человеком — промышленником, продюсером фильмов, конструктором и пилотом самолетов, на которых он участвовал в соревнованиях. От своего отца он унаследовал значительную долю акций компании Hughes Tool Company и построил на ее основе промышленную империю. В рамках этой производившей инструменты компании он организовал авиастроительное отделение, Hughes Aircraft Company, ставшее одним из основных подрядчиков Министерства обороны. В 1953 году он передал эту компанию Медицинскому институту Говарда Хьюза — научно-исследовательскому медицинскому учреждению, которое только что основал. К 1984 году; через восемь лет после его смерти, институт стал крупнейшей частной организацией, поддерживающей биомедицинские исследования в Соединенных Штатах. К 2004 году институтский фонд превысил и млрд долларов, институт поддерживал 350 исследователей во множестве университетов Соединенных Штатов. Около ста из этих ученых были членами Национальной академии наук, а десять — лауреатами Нобелевской премии.

Девиз Медицинского института Говарда Хьюза — «Люди, а не проекты». В институте убеждены, что наука процветает тогда, когда выдающимся исследователям предоставляют как ресурсы, так и интеллектуальную свободу для выполнения смелых, передовых работ. В 1983 году в институте стартовали три инициативы: в областях нейробиологии, генетики и регуляции обмена веществ. Меня пригласили на должность старшего исследователя нейробиологической инициативы, и обеспеченные мне институтом возможности сыграли огромную роль как в моей научной карьере, как и в карьере Ричарда Акселя.

Новообразованный институт дал нам возможность нанять Тома Джесселла и Гэри Струла из Гарварда и убедить остаться Стивена Зигельбаума, который собирался уходить из Колумбийского университета. Это были чудесные кадры для нашей хьюзовской группы и Центра нейробиологических и поведенческих исследований. Джесселл вскоре стал ведущим специалистом по развитию нервной системы позвоночных. Серия проведенных им блестящих исследований позволила выявить гены, обеспечивающие индивидуальные особенности разных нейронов спинного мозга (тех самых, которыми занимались Шеррингтон и Экклс). Затем он показал, что эти гены также управляют вырастанием аксонов и образованием синапсов. Зигельбаум успешно использовал свои замечательные открытия, связанные с ионными каналами, для изучения того, как каналы управляют возбудимостью нейронов и силой синаптических связей и как то и другое модулируется в результате работы и под действием различных модуляторных нейромедиаторов. Струл разработал оригинальный генетический подход к работе с дрозофилой, позволяющий изучать, как в ходе развития этой плодовой мухи формируется строение ее тела.

Теперь, имея в распоряжении методы молекулярной биологии и финансирование Медицинского института Говарда Хьюза, мы могли заняться проблемами генов и памяти. Моя экспериментальная стратегия начиная с 1961 года состояла в том, чтобы улавливать простые формы памяти в наименьших возможных популяциях нейронов и использовать множество микроэлектродов для отслеживания активности задействованных клеток. Мы научились регистрировать сигналы отдельных сенсорных нейронов и мотонейронов в течение нескольких часов у интактного животного, что прекрасно подходило для исследования кратковременной памяти. Но для работы с долговременной памятью нам нужна была возможность регистрировать такие сигналы в течение дня или нескольких дней. Для этого требовался новый подход, и я обратился к тканевым культурам сенсорных нейронов и мотонейронов.

Сенсорные нейроны и мотонейроны нельзя просто так извлечь из взрослого организма и выращивать в лаборатории, потому что зрелые нейроны плохо выживают в культуре. Вместо этого нейроны нужно извлекать из нервной системы очень молодых животных и обеспечивать им среду, в которой они могут вырасти в зрелые клетки. Важнейший шаг в этом направлении сделал наш аспирант Арнольд Кригштейн. Перед самым переходом лаборатории в Колумбийский университет Кригштейн научился выращивать аплизий в лабораторных условиях от эмбриональной стадии, заключенной в яйце, до взрослого организма, чего биологам не удавалось добиться на протяжении почти ста лет.

По мере роста аплизия превращается из прозрачной свободноплавающей личинки, которая питается одноклеточными водорослями, в ползающего, питающегося многоклеточными водорослями ювенильного моллюска — уменьшенное подобие взрослого организма. Для того чтобы с личинкой произошло это радикальное изменение строения тела, она должна какое-то время сидеть на многоклеточной водоросли определенного вида и подвергаться воздействию особого вещества. Никому не удавалось пронаблюдать это превращение в природе, поэтому никто не знал, что требуется. Кригштейн наблюдал за личинками аплизий в их естественной среде и заметил, что они часто садятся на красную водоросль определенного вида. Когда он испытал эту водоросль в лаборатории, предоставив личинкам возможность садиться на нее, он обнаружил, что они превращаются в ювенильных моллюсков (рис. 18–2). Те из нас, кто присутствовал на замечательном семинаре, проведенном Кригштейном в декабре 1973 года, не скоро забудут его описание того, как личинки находят эту водоросль, которая называется Laurencia pacifica, садятся на нее и извлекают из нее вещества, необходимые для включения механизма превращения. Я помню, что, когда Кригштейн показал нам первые фотографии крошечных ювенильных моллюсков, я сказал про себя: «Дети всегда такие красивые!»

18–2. Жизненный цикл аплизии. Личинки аплизии сидят на красной водоросли определенного вида (Laurencia pacifica) и извлекают из нее вещества, необходимые для включения механизма превращения в ювенильного моллюска. (Рисунок перепечатан из книги: Е. R. Kandel, Cellular Basis of Behavior, IV. H. Freeman and Company, 1976).

После сделанного Кригштейном открытия мы начали выращивать эту водоросль и вскоре получили достаточное число ювенильных моллюсков, чтобы выращивать в культуре клетки нервной системы. Следующую принципиальную задачу — научиться выращивать конкретные нейроны в культуре и добиваться того, чтобы они образовывали синапсы, — взял на себя мой бывший студент Сэмюел Шахер, специалист по клеточной биологии. Шахеру, работавшему вместе с двумя постдоками, вскоре удалось культивировать конкретные сенсорные нейроны, мотонейроны и интернейроны, задействованные в рефлексе втягивания жабр (рис. 18–3).

18–3. Использование конкретных нейронов, выращиваемых в лаборатории, для изучения долговременной памяти. Отдельные сенсорные нейроны, мотонейроны и выделяющие серотонин модуляторные интернейроны, выращиваемые в культуре, образуют синапсы, воспроизводя простейшие нейронные цепи, обеспечивающие и модулирующие рефлекс втягивания жабр. Эта простая, подверженная обучению нейронная цепь (первая полученная в культуре клеток) дала нам возможность исследовать молекулярно-биологические основы долговременной памяти. (Фото любезно предоставил Сэм Шахер).

Теперь все элементы подверженной обучению нейронной цепи имелись у нас в клеточной культуре. Эта цепь позволяла исследовать компоненты хранения памяти, сосредоточившись на отдельном сенсорном нейроне и отдельном мотонейроне. Эксперименты показали, что выделенные из организма сенсорные нейроны и мотонейроны образуют в культуре в точности такие же синаптические связи и демонстрируют такое же физиологическое поведение, как в организме интактного животного. В природе удар током в заднюю часть тела вызывает активацию модуляторных интернейронов, которые выделяют серотонин, тем самым усиливая связь сенсорных нейронов с мотонейронами. Поскольку мы уже знали, что эти модуляторные интернейроны выделяют серотонин, после нескольких экспериментов мы установили, что незачем выращивать их в культуре. Мы просто вводили серотонин в культуру клеток рядом с синапсами, соединяющими сенсорные нейроны с мотонейронами, — именно там, где у интактных животных окончания модуляторных интернейронов подходят к сенсорным нейронам и выделяют серотонин. Одно из величайших наслаждений ученого, долгое время работающего с одной и той же биологической системой, связано с тем, что сегодняшние открытия становятся орудием завтрашних экспериментов. Наши многолетние исследования этой нейронной цепи и умение выделять ключевые химические сигналы, передающиеся в пределах этой цепи от клетки к клетке и внутри клеток, позволили воспользоваться теми же сигналами для манипуляций с этой системой и более глубокого ее изучения.

Мы обнаружили, что непродолжительное однократное введение серотонина на несколько минут усиливает синаптическую связь сенсорного нейрона с мотонейроном, увеличивая выделение серотонина сенсорной клеткой. Как и у интактного животного, это кратковременное усиление синаптической связи представляет собой функциональное изменение и не требует синтеза новых белков. Пятикратное введение серотонина, имитирующее пятикратный удар током, напротив, усиливает синаптическую связь на несколько дней и приводит к отрастанию новых синаптических связей, то есть вызывает анатомические изменения, требующие синтеза новых белков (рис. 18–4). Этот результат показывал, что мы можем вызывать образование новых синапсов у сенсорного нейрона, растущего в культуре, но нам по-прежнему нужно было выяснить, какие белки задействованы в формировании долговременной памяти.

18–4. Изменения в отдельном сенсорном нейроне и отдельном мотонейроне, лежащие в основе кратковременной и долговременной памяти.

Тогда моя научная карьера сплелась с одним из величайших интеллектуальных приключений современной биологии — распутыванием молекулярного механизма регуляции работы генов, единиц хранения закодированной информации, лежащей в основе всего живого на планете.

Это приключение началось в 1961 году, когда Франсуа Жакоб и Жак Моно из парижского Института Пастера опубликовали статью, озаглавленную «Генетические регуляторные механизмы и синтез белка». Используя в качестве модельного объекта бактерий, они сделали замечательное открытие, что работа генов может регулироваться, то есть включаться и выключаться, как водопроводный кран.