Э. К. Первый вопрос, каким задались мы с В. Кастеллучи (V.Castellucci), Купферманом и Пинскером, состоял в следующем: где локализуется кратковременное привыкание и каковы его механизмы? Нейронная цепь, управляющая втягиванием жабры, совсем проста. Стимуляция кожи сифона активирует там 24 сенсорных нейрона; они образуют прямые связи с четырьмя мотонейронами в жабре, а мотонейроны прямо соединены с мышцей. Сенсорные нейроны возбуждают также несколько вставочных, т. е. промежуточных нейронов.
Исследуя эти клетки во время привыкания, мы нашли, что при кратковременном привыкании изменяется сила связи сенсорных нейронов со следующими за ними центральными клетками – вставочными и мотонейронами.
В чем причина изменений силы синаптических связей? Происходит ли изменение в пресинаптическом сенсорном нейроне, которое выражается в пониженном выходе медиатора, или же изменяется постсинаптическая клетка, что выражается в снижении чувствительности рецепторов к медиатору? Ответить на эти вопросы можно, проанализировав изменения амплитуды синаптического потенциала, проявляющиеся в его «квантовых» компонентах.
ГИШ. Следует отметить, что снижение ответа мотонейрона происходит при стимуляции сенсорного нейрона каждые 10 секунд.
Э. К. Как впервые показали X. дель Кастильо (J. del Castillo) и Б. Катц (В. Katz) в Лондонском университетском колледже, медиатор выделяется не в виде отдельных молекул, а «квантами», или мультимолекулярными пакетами. Все пакеты содержат приблизительно одинаковое количество медиатора (по нескольку тысяч молекул). Как полагают, кванты хранятся в субклеточных органеллах, называемых синаптическими пузырьками, которые во множестве видны в синаптических окончаниях на электронных микрофотографиях. Поскольку число молекул медиатора в каждом кванте обычно не меняется, количество квантов, высвобождаемых каждым потенциалом действия, служит достаточно надежным показателем общего количества выделившегося медиатора. Каждый квант в свою очередь вызывает в постсинаптической клетке миниатюрный постсинаптический потенциал характерной величины. Величина эта служит показателем того, насколько чувствительны постсинаптические рецепторы к нескольким тысячам молекул, выделяемым каждым пакетом. Исследуя аплизию, мы с Кастеллучи, нашли, что снижение амплитуды синаптического потенциала действия по мере привыкания идет параллельно уменьшению числа выделяющихся химических квантов. Напротив, величина миниатюрного постсинаптического потенциала не менялась, что указывало на неизменность чувствительности постсинаптического рецептора. Эти данные говорят о том, что кратковременное привыкание локализуется в пресинаптических окончаниях сенсорных нейронов и что механизм привыкания состоит в постепенном снижении количества медиатора, высвобождаемого окончаниями сенсорного нейрона на центральных клетках-мишенях.
ГИШ. И где же здесь механизм «подавления»? Идет элементарный процесс истощения количества медиатора в пресинаптическом окончании. А что еще можно ожидать при частоте стимуляции «каждые 10 секунд»? Кэндел изучал не аналог выработанного при обучении торможения, а закономерности процессов истощения и восстановления ресурсов сенсорных нейронов Аплизии. Не случайно, говоря о восстановлении рефлекса после перерыва в стимуляции, в книге он обычно использует термин «отдых». Однако, в работах школы И.П. Павлова по исследованию внутреннего торможения этот термин не встречается. Только при лечении невротических срывов.
Э. К. Опыты на раке, проведенные Р. Цукером (R. Zucker) из Калифорнийского университета в Беркли и Ф. Красне (F. Krasne) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, а также опыты на кошке, поставленные П. Фейрелом (P. Farel) и Р. Томпсоном (R. Thompson) из Калифорнийского университета в Эрвине, показывают, что этот механизм может быть универсальным ГИШ. Относительно опытов на речных раках в книге приводится более подробное их описание. Речь идет об ослаблении своеобразного безусловного рефлекса в виде удара хвостом для уплывания назад в ответ на прикосновениев. В результате исследования не только поведения, но и активности реализующих его нейронов показано, что при частоте стимуляции от 1/сек до 1/мин (не реже, как подчеркивает автор!) обнаружено, что ослабление этого рефлекса происходит вследствие гомосинаптической депрессии в сенсорных нейронах и в интернейронах.
В дальнейших своих рассуждениях по ходу и статьи и книги Э. Кэндел еще более убеждает нас в том, что, повторяя стимул многократно с высокой частотой, он изучает не угашение ориентировочного и оборонительного рефлексов, а истощение ресурсов нервных контактов. Собственно, он и сам именно так трактует свои результаты.
Э. К. От чего зависит уменьшение числа квантов, высвобождаемых каждым потенциалом действия? Это число в значительной степени определяется концентрацией свободного кальция в пресинаптическом окончании. Кальций является одним из трех ионов, участвующих в генерации каждого потенциала действия в окончании. Деполяризующий эффект потенциала действия создается главным образом притоком ионов натрия в окончание, но он требует также меньшего и более позднего притока ионов кальция. Реполяризационное действие противоположного знака производится преимущественно выходом ионов калия, а приток кальция нужен для выделения медиатора. Как полагают, кальций придает синаптическим пузырькам способность связываться с пресинаптической мембраной в местах выделения медиатора. Это связывание является критическим этапом, предваряющим выход медиатора из пузырьков (процесс называется экзоцитозом). Возможно потому, что количество кальция, приходящее в окончания с каждым потенциалом действия, не фиксировано, а меняется и модулируется привыканием.
ГИШ. «Модулируется привыканием», или определяет процесс привыкания вследствие снижения уровня кальция по мере его расходования при частоте стимуляции один раз в секунду?
Э. К. Таким образом, в результате простого обучения (?) ранее эффективные синаптические связи становятся неактивными и остаются в таком состоянии более недели.
ГИШ, Согласно данным школы И. П. Павлова, стимул, приобретающий тормозное значение, активно тормозит действие другого активирующего раздражителя, если включать их совместно. Каким образом такие «неактивные» истощенные связи, как у Аплизии в период «привыкания», смогли бы это сделать?
Э. К. Следовательно, в то время как кратковременное привыкание сопровождается кратким ослаблением эффективности синапса, долговременное привыкание вызывает более продолжительное и глубокое изменение, которое приводит к функциональному нарушению большинства ранее эффективных связей. Эти данные интересны по трем причинам: 1) они служат прямым доказательством того, что специальный случай долговременной памяти может быть объяснен продолжительным изменением эффективности синапса, 2) они показывают, что достаточно поразительно малой тренировки, чтобы вызвать глубокое изменение синаптической передачи в синапсах, играющих решающую роль при обучении, и 3) они ясно показывают, что кратковременное и долговременное привыкания локализуются в одной и той же части нейрона, а именно в синапсах, образованных сенсорными нейронами на мотонейронах. Кратковременное и долговременное привыкания связаны также с одним и тем же клеточным механизмом – депрессией передачи возбуждения.
ГИШ. В книге Э Кэндел предполагает, что долговременная память «привыкания» определяется уменьшением «резервного фонда кальция вследствие ингибирования его синтеза или транспорта из тела клетки» (стр 522). Следовательно, по его мнению «привыкание», которое он считает тождественным снижению ориентировочного и защитного рефлексов, определяется истощением запасов кальция. Все результаты и их трактовка вполне доказательны. Но изучали Э. Кэндел и соавторы не механизмы угашения ориентировочного рефлекса в условиях реального обучения, а процессы истощения клеточных ресурсов при частом повторении стимуляции сифона, жабры или нервного волокна.
Далее Э.Кэндел излагает результаты опытов с изучением сенситизаци, которая представляет собой длительное усиление ранее существовавшего ответа животного на стимул в результате нанесения другого, ноцицептивного (болевого, повреждающего) стимула. Он пишет «Мы с Кастеллучи установили, что сенситизация влечет за собой изменение синаптической передачи в том же самом пункте, который участвует в привыкании, а именно в синапсах, образованных сенсорными нейронами на центральных клетках-мишенях. Наши физиологические исследования и последующие морфологические исследования К. Бейли (С. Baily), М. Чен (М. Chen) и Р. Хоукинса (R. Hawkins) показывают, что нейроны, осуществляющие сенситизацию, оканчиваются близ синаптических терминалей сенсорных нейронов и усиливают выход медиатора, увеличивая число квантов, высвобождаемых каждым потенциалом действия в сенсорном нейроне. Поэтому такой процесс называется пресинаптическим облегчением.
Поэтому на одни и те же пункты – пресинаптические окончания сенсорных нейронов – могут воздействовать противоположным образом две противоположные формы обучения. Во время привыкания они угнетаются в результате возникающей собственной активности нейрона, а при сенситизации в них наступает облегчение вследствие активности других нейронов, которые образуют на них синапсы. Эти данные, полученные на уровне отдельной клетки, подтверждают наблюдение, сделанное на поведенческом уровне, что привыкание и сенситизация представляют собой независимые друг от друга противоположные формы обучения. (Здесь он прав – ГИШ).
В связи с этими данными возникает интересный вопрос. Сенситизация способна усилить нормальный рефлекс, но может ли она противодействовать глубокой депрессии рефлекса, вызванной долговременным привыканием? Если может, то восстанавливает ли она синаптические связи, полностью инактивированные долговременным привыканием?… Кэрью, Кастеллучи и я изучили этот вопрос и нашли, что сенситизация устраняла депрессию в поведении. Кроме того, за один час сенситизирующая стимуляция головы аплизии восстанавливала функционально инактивированные синапсы (которые оставались бы в таком состоянии в течение недель).