В поисках памяти - Эрик Кандель

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.