Изучение процессов обучения и памяти является краеугольным камнем нейробиологии, проливающим свет на фундаментальные процессы, которые управляют нашими когнитивными способностями. Новаторские исследования выдающегося нейробиолога Эрика Канделя, проведенные в 1960-х и 1970-х годах на скромном морском моллюске Аплизия (другое название — «Морские зайцы», лат. — «Aplysia»), вошли в золотой фонд науки и позволили получить бесценные сведения о клеточных и молекулярных механизмах, лежащих в основе этих процессов. Это оказало большое влияние на наше понимание мозга и его удивительных возможностей.
Историю работы доктора Канделя можно сравнить с рассказом о бесстрашном исследователе, который бороздит неизведанные воды огромного океана, стремясь обнаружить в водных глубинах скрытые сокровища. В данном случае сокровища — это знания о том, как наш мозг кодирует, хранит и извлекает информацию, что достигается благодаря хитроумному взаимодействию нейронов и синапсов.
Аплизия служит главным героем в этой истории. Благодаря своей простой нервной системе этот моллюск открывает окно в основополагающие механизмы, лежащие в основе обучения и памяти, позволяя исследователям препарировать и анализировать нейронные цепи, ответственные за эти когнитивные функции. В этом смысле Аплизию можно сравнить с Розеттским камнем, который впервые позволил расшифровать египетские иероглифы.
Этот скромный морской моллюск обладает нервной системой, состоящей примерно из 20 000 нейронов, что далеко от миллиардов, имеющихся в человеческом мозге. Эта простота позволила доктору Канделю и его коллегам скрупулезно препарировать и анализировать нейронные цепи, отвечающие за обучение и память.
В первую очередь эти исследования были посвящены такому типу обучения, как привыкание — процессу, в ходе которого организм становится менее чувствительным к повторяющимся безвредным стимулам. Представьте себе настойчивое тиканье часов в тихой комнате. Сначала этот звук может быть довольно заметным и даже раздражающим. Однако со временем человек привыкает к нему и тиканье перестает его беспокоить. Это пример привыкания.
У Аплизии привыкание можно наблюдать в форме защитного рефлекса. Когда к чувствительному сифону морского моллюска осторожно прикасаются (это трубчатый орган, через который моллюск осуществляет ток воды, который используется для движения, питания, дыхания или размножения), он уходит в защитную полость. Однако при повторной стимуляции реакция отхода становится слабее и в конце концов исчезает. Такое изменение поведения является простой формой обучения, и доктор Кандель стремился раскрыть нейронные механизмы, которые за это отвечают.
Проведя серию изящных экспериментов, команда ученых под руководством Канделя обнаружила, что привыкание у Аплизии опосредуется изменениями в прочности синаптических связей между сенсорными и моторными нейронами. Синапсы (места соединения между нейронами) можно представить как шестеренки и зубчики механизма мозга, передающие информацию от одного нейрона к другому. В случае привыкания «шестеренки» становятся менее эффективными при передаче сигналов, что приводит к ослаблению реакции на стимул.
Работа доктора Канделя показала, что ключ к ослаблению синапсов лежит в высвобождении нейротрансмиттеров — химических мессенджеров, которые способствуют коммуникации между нейронами. С каждым повторным раздражителем сенсорные нейроны выделяют все меньшее количество нейротрансмиттера, что приводит к уменьшению реакции двигательных нейронов. Этот процесс, известный как синаптическая депрессия, сродни тому, как шестеренка постепенно теряет сцепление с соседней шестеренкой и начинает проскальзывать, что приводит к замедлению работы всего механизма.
Помимо привыкания, доктор Кандель также исследовал более сложную форму обучения под названием сенсибилизация, при которой организм становится более чувствительным к стимулу после сильного или вредного воздействия. У Аплизии сенсибилизация может быть вызвана путем подачи электрического тока на хвост животного. После такого неприятного опыта морской слизень на некоторое время становится более чувствительным даже к легким прикосновениям.
Исследования доктора Канделя по сенсибилизации показали, что эта форма обучения также опосредована изменениями в высвобождении нейротрансмиттеров. Однако, в отличие от привыкания, при сенсибилизации происходит увеличение выброса нейромедиаторов, что приводит к укреплению синаптических связей и усилению реакции на стимул. Этот процесс можно сравнить с тем, как если бы шестеренка внезапно вошла в более крепкое сцепление с соседней шестеренкой, в результате чего весь механизм ускорился.
Открытия, сделанные доктором Канделем в ходе изучения Аплизии, за которые он был удостоен Нобелевской премии в 2000 году, имеют далеко идущие последствия для нашего понимания обучения и памяти у более сложных организмов, включая человека. Благодаря выяснению клеточных и молекулярных механизмов, лежащих в основе этих фундаментальных процессов, их исследования проложили путь к разработке новых методов лечения расстройств, связанных с памятью, таких как болезнь Альцгеймера.
Также полученные знания имеют особое значение для практик, связанных с мышлением и сознанием, таких как осознанные сновидения. Осознанные сновидения возникают во время REM-фазы сна, когда активность ацетилхолина в мозге достигает пика. Понимание механизмов привыкания и сенсибилизации может помочь в разработке методов и техник для стимуляции осознанных сновидений, а также объясняет механизмы воникновения распространенных эффектов в этой практике.
Например, многие сновидцы сталкивались с тем, что один и тот же метод, то есть нейробиологический стимул, который поначалу казался очень эффективным, постепенно терял свою эффективность, то есть прекращал вызывать необходимую для возникновения осознанности во сне холинергическую активность. Это пример привыкания, полностью аналогичный тому, как это происходит у морского моллюска Аплизии.
А в тех случаях, когда единичный пугающий опыт приводит к повышенному риску его повторения (так бывает, к примеру, с сонным параличом, если сновидец сталкивается с ним без должной подготовки) — это пример сенсибилизации. И он тоже полностью аналогичен ситуации с Аплизией. Но только в случае со сновидческим опытом мы испытываем не воздействие ударом тока в ответ на физическое прикосновение к контактам электрической цепи, а всплеск активности адреналина в ответ на возникновение конкретной пугающей мысли.
Таким образом мы еще раз можем убедиться, что изучение нейробиологии полезно и необходимо во всех случаях, когда мы изучаем работу мышления и сознания. Спасибо доктору Канделю и другим ученым, кто с каждым годом всё больше приоткрывает завесу тайны над сложными и невероятно увлекательными механизмами, стоящими в основе нашего существования.
Подготовка материала:
С. Корнецкая и А. С.