В поисках памяти - Эрик Кандель

Когда нам стало известно, что серотонин действует как модуляторный медиатор, увеличивая выделение глутамата из пресинаптических окончаний сенсорного нейрона, все было готово для биохимического исследования работы памяти. По счастью, на этом пути у меня был такой отличный проводник и напарник, как Джимми Шварц.

До своего возвращения в Нью-Йоркский университет Джимми работал в Рокфеллеровском университете с бактерией кишечной палочкой (Escherichia coli) — одноклеточным организмом, исследования которого позволили открыть многие фундаментальные принципы современной биохимии и молекулярной биологии. В 1966 году он переключился на аплизию и начал свои исследования этого организма с выявления химических медиаторов, выделяемых нейронами абдоминального ганглия. С 1971 года мы объединили усилия, чтобы исследовать молекулярные процессы, сопровождающие обучение.

Джимми оказал мне неоценимую помощь на этом втором большом этапе моего становления как биолога. На наши исследования повлияли работы Луиса Флекснера, показавшего за несколько лет до этого, что долговременная память у мышей и крыс требует синтеза новых белков, а кратковременная память не требует. Белки — главные работники клетки. Они составляют ее ферменты, ионные каналы, рецепторы и систему транспорта. Поскольку, как мы выяснили, в долговременной памяти задействовано образование новых связей, не было ничего удивительного в том, что для образования этих связей требуется синтез новых белков.

Мы с Джимми занялись проверкой этой идеи на аплизии — на уровне сенсорного нейрона сифона и его синапсов на мотонейронах жабр. Если синаптические изменения сопровождают изменения памяти, то выявленные нами кратковременные синаптические изменения не должны требовать синтеза новых белков. Именно это мы и обнаружили. Что же тогда обеспечивает эти кратковременные изменения?

Кахаль показал, что нервная система состоит из нейронов, специфическим образом связанных друг с другом проводящими путями. Я наблюдал эту удивительную специфичность связей в простых нейронных цепях, обеспечивающих рефлекторное поведение у аплизии. Но Джимми отметил, что эта специфичность распространяется и на молекулы — соединения атомов, которые служат функциональными элементами клетки. Биохимики установили, что молекулы могут взаимодействовать друг с другом в пределах клетки и что происходящие при этом химические реакции связаны в определенные последовательности, которые называют биохимическими сигнальными путями. Такие пути передают информацию в виде молекул от поверхности клетки в ее внутреннюю среду; подобно тому как нервные клетки передают информацию друг другу. Но это «беспроводные» пути. Молекулы, плавающие внутри клетки, распознаются другими специфическими молекулами и связываются с ними, регулируя их активность.

Мы не только реализовали мой давний замысел поймать выработанную в ходе обучения реакцию в наименьшей возможной популяции нейронов, мы также поймали один из компонентов простой формы памяти в единственной сенсорной клетке. Но даже в единственном нейроне аплизии содержатся тысячи различных белков и других молекул. Какие из них отвечают за кратковременную память? Когда мы с Джимми начали обсуждать, как это можно узнать, мы сосредоточились на идее, что серотонин, выделяемый в ответ на электрический удар, может увеличивать выделение глутамата из сенсорного нейрона, запуская в нем особую последовательность биохимических реакций.

Последовательность биохимических реакций, которую мы искали, должна была служить двум принципиальным целям. Во-первых, эти реакции должны были преобразовывать непродолжительное воздействие серотонина в молекулы, сигнал которых сохранялся бы внутри сенсорного нейрона в течение минут. Во-вторых, молекулы должны были передавать сигнал от клеточной мембраны, на которую действует серотонин, во внутреннюю среду клетки — в особые участки окончаний аксона, задействованные в выделении глутамата. Мы подробно изложили эти мысли в своей статье 1971 года, опубликованной в Journal of Neurophysiology, и высказали предположение, что в этом процессе могут быть задействованы молекулы одного особого вещества — так называемого циклического АМФ.

Что такое циклический АМФ? И почему мы сочли его вероятным претендентом на эту роль? Мне пришел в голову именно циклический АМФ в связи с тем, что было известно: небольшие молекулы этого вещества служат важнейшими регуляторами передачи сигналов в мышечных и жировых клетках. Мы с Джимми знали, что природа консервативна, поэтому механизм, используемый в клетках одной ткани, с большой вероятностью сохранится и будет использоваться в клетках другой. Эрл Сазерленд из Западного резервного университета Кейса в Кливленде в то время уже обнаружил, что гормон адреналин (эпинефрин) вызывает непродолжительные биохимические изменения на поверхности мембраны жировых и мышечных клеток, приводя к более продолжительным изменениям внутри клеток. Эти более продолжительные изменения происходят за счет повышения содержания циклического АМФ во внутренней среде клеток.

Революционные открытия Сазерленда были впоследствии описаны так называемой теорией вторичных посредников (вторичных мессенджеров). Основой этой теории биохимической передачи сигналов в клетках стало открытие на поверхности жировых и мышечных клеток нового класса рецепторов, реагирующих на гормоны. Бернард Кац ранее описал медиатор-зависимые рецепторы, которые относятся к так называемым ионотропным рецепторам. Когда с таким рецептором связывается нейромедиатор, он открывает или закрывает ворота проходящего сквозь этот рецептор ионного канала, тем самым преобразуя химический сигнал в электрический. Но в рецепторах нового типа, так называемых метаботропных, нет ионного канала, который они могли бы открывать и закрывать. Один участок этих рецепторов, выступающий из наружной поверхности клеточной мембраны, опознает сигналы, приходящие от других клеток, а второй участок, выступающий из внутренней поверхности мембраны, запускает работу определенного фермента. Когда такие рецепторы опознают и связывают молекулы химического посредника из внеклеточной жидкости, они активируют работающий внутри клетки фермент аденилатциклазу, который вырабатывает циклический АМФ.

У этого процесса есть преимущество — он позволяет многократно усиливать клеточную реакцию. Когда одна молекула химического посредника связывается с метаботропным рецептором, он активирует аденилатциклазу, которая производит тысячи молекул циклического АМФ. Затем циклический АМФ связывается с особыми белками, запускающими во всей клетке целый ряд молекулярных реакций. При этом аденилатциклаза продолжает вырабатывать циклический АМФ в течение минут. Поэтому метаботропные рецепторы обычно действуют сильнее, шире и дольше, чем ионотропные. Действие ионотропных рецепторов обычно продолжается миллисекунды, а действие метаботропных — секунды или минуты, то есть в тысячи или десятки тысяч раз дольше.