Вскоре после начала нашей совместной работы мы провели первый успешный эксперимент. Я никогда его не забуду. Все утро и часть дня я работал над хирургической операцией, которая позволила обнажить гиппокамп кошки. После этого за дело взялся Олден, который вводил в гиппокамп отводящий электрод. Я сидел перед осциллографом – прибором, выводящим на экран электрические сигналы, – и управлял стимуляторами, которые могли активировать проводящие пути, входящие в гиппокамп и выходящие из него. Отводящий электрод я подсоединил к репродуктору, как уже делал в лаборатории Стэнли Крейна, чтобы электрические сигналы, которые мы могли получить, было не только видно, но и слышно. Мы пытались тогда регистрировать мембранный потенциал пирамидальных клеток – одной из главных разновидностей нейронов в гиппокампе. Эти клетки получают и обрабатывают информацию, поступающую в гиппокамп, и передают ее дальше, к следующему ретранслятору. Мы также установили фотоаппарат, чтобы фотографировать экран осциллографа.
Внезапно мы услышали “бах-бах-бах” потенциалов действия – звук, который я сразу узнал, помня его по своим экспериментам на раке. Олден ввел электрод в клетку. Мы быстро поняли, что это была пирамидальная клетка, потому что аксоны этих нейронов собираются в проводящий путь (так называемый свод мозга), ведущий наружу из гиппокампа, а именно на этом пути я и разместил свои электроды. Каждый раз, когда я включал электрическую стимуляцию, она вызывала прекрасный, большой потенциал действия. Этот метод стимуляции выходящего аксона, запускающий потенциалы действия в пирамидальных клетках, оказался действенным способом выявления этих клеток. У нас также получилось возбуждать их, стимулируя проводящий путь, который передает информацию внутрь гиппокампа. В результате за те примерно десять минут, что мы регистрировали сигналы пирамидальных клеток, нами был получен впечатляющий объем данных. При этом мы непрерывно фотографировали, чтобы каждый момент регистрации, каждый синаптический потенциал и каждый потенциал действия в пирамидальных клетках был запечатлен на пленке.
Мы с Олденом были в полном восторге: нам удалось впервые внутриклеточно записать сигналы из участка мозга, сохраняющего наши самые драгоценные воспоминания! Мы чуть не плясали в лаборатории. Нам удалось всего лишь успешно регистрировать в течение нескольких минут потенциал, но это было оправданием наших самых смелых надежд. Кроме того, мы, похоже, получили интересные данные, которые немного отличались от полученных Экклсом и Франком для мотонейронов спинного мозга.
Этот эксперимент и последовавшие за ним были тяжелы физически и иногда длились по двадцать четыре часа. Нам повезло, что мы оба только что окончили медицинскую интернатуру, где работа сутками не была редкостью. Мы проводили по три эксперимента в неделю и использовали два промежуточных дня (нередко лишь частично, потому что лаборатория была нужна Джеку) для анализа данных, обсуждения результатов и просто разговоров. Многие эксперименты нам не удавались, но в итоге мы придумали некоторые простые технические новшества, которые позволили нам получать высококачественные записи один или два раза в неделю.
Применив эффективные методы клеточной биологии для изучения гиппокампа, мы с Олденом без особого труда получили некоторые результаты, лежавшие на поверхности. В частности, мы выяснили, что, в отличие от мотонейронов, нейроны одной из имеющихся в гиппокампе разновидностей запускают потенциалы действия спонтанно, даже не получая указаний от сенсорных или каких‑то других нейронов. Что еще интереснее, мы выяснили, что потенциалы действия в пирамидальных клетках гиппокампа возникают в пределах клетки в нескольких местах. В мотонейронах потенциалы действия вызываются только у основания аксона, где он отходит от тела клетки. Мы получили неплохие данные, судя по которым потенциалы действия в пирамидальных клетках гиппокампа могут начинаться также в дендритах и что они способны вызываться в ответ на стимуляцию перфорантного пути – прямого синаптического входа, ведущего к пирамидальным клеткам из участка коры, называемого энторинальной корой.
Открытие оказалось важным. До него нейробиологи, в том числе Доминик Пурпура и Гарри Грундфест, считали, что дендриты не могут возбуждаться, следовательно, не могут и вызывать потенциалы действия. Уилфрид Ролл, ведущий теоретик и разработчик моделей, работавший в Национальных институтах здоровья, ранее предложил математическую модель, описывающую работу дендритов мотонейронов. Эта модель была основана на принципиальном предположении, что клеточная мембрана дендритов пассивна: она не содержит потенциал-зависимых натриевых каналов и потому не может обеспечивать потенциалы действия. Зарегистрированные нами внутриклеточным способом сигналы стали первыми свидетельствами обратного, и впоследствии было доказано, что наше открытие соответствует общему принципу работы нейронов.
Благодаря успеху наших методов и этим интригующим результатам нас стали всячески ободрять и не скупясь хвалить наши старшие коллеги из Институтов здоровья. Джон Экклс, который уже стал ведущим специалистом по клеточной физиологии мозга млекопитающих, зашел к нам во время своего визита в Институты здоровья и щедро поделился своими мыслями по поводу нашей работы. Он также пригласил нас с Олденом в Австралию, чтобы под его руководством продолжить работу с гиппокампом, и лишь после долгих колебаний мы отказались. Уэйд Маршалл попросил меня провести семинар в Национальном институте психического здоровья, чтобы подвести предварительный итог нашей с Олденом работы, что я и сделал. Семинар прошел в переполненном конференц-зале и имел успех. Но даже в минуты предельного опьянения успехом мы понимали, что в Институтах здоровья такие истории в порядке вещей. Молодым, неопытным людям давали возможность самим испытать свои силы, зная, что, к чему бы они ни обратились, вокруг всегда будут опытные люди, готовые помочь.
Однако это время не было совсем уж безоблачным. Вскоре после того, как я начал работать у Маршалла, в соседнюю лабораторию пришел другой молодой ученый – Феликс Штрумвассер. В отличие от остальных молодых научных сотрудников, которые были докторами медицины, Феликс получил степень доктора философии по нейрофизиологии в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. Большинство из нас знало о нейробиологии сравнительно мало, Феликс же знал необычайно много. Мы с ним подружились и ходили друг к другу в гости ужинать. Я многому у него научился. Надо сказать, что разговоры с Феликсом помогли мне разобраться в том, как подступиться к изучению нейробиологических основ обучения. Также благодаря Феликсу я заинтересовался гипоталамусом – участком мозга, ответственным за проявление эмоций и секрецию гормонов. Гипоталамус в то время уже всерьез фигурировал в обсуждениях клинических вопросов, связанных с лечением стресса и психической депрессии.
Поэтому я был неприятно поражен и обижен, когда на следующий день после моего семинара о нашей работе Феликс перестал со мной разговаривать. Я не мог понять, что произошло. Лишь со временем я осознал, что в науке хватает не только страстного увлечения идеями, но также амбиций и конкуренции людей, находящихся на разных этапах своей научной карьеры. Много лет спустя Феликс возобновил нашу дружбу и объяснил мне, что был крайне раздосадован тем, что двое сравнительно неопытных ученых (некомпетентных, как ему казалось) сумели получить интересные и важные экспериментальные результаты.
Считается, что новичкам везет, но когда ослепление, вызванное нашими первыми успехами, прошло, мы с Олденом осознали, что, как ни интересны были наши результаты, они уводили нас в сторону от изучения памяти. По сути, мы установили, что свойства нейронов гиппокампа недостаточно отличаются от свойств мотонейронов спинного мозга, чтобы объяснить способность гиппокампа сохранять воспоминания. У нас ушел год на осознание того, что нужно было понять с самого начала: клеточные механизмы обучения и памяти кроются не в особых свойствах самого нейрона, а в связях, которые он образует с другими клетками нейронной цепи, в состав которой входит. Когда, читая литературу и обсуждая эти вопросы друг с другом, мы научились глубже мыслить о биологических механизмах обучения и памяти, мы пришли к выводу, что роль гиппокампа в работе памяти должно обеспечивать что‑то другое – возможно, природа получаемой им информации, характер взаимосвязей его клеток и влияние обучения на эту систему нейронных цепей и передаваемую ей информацию.
Это изменение образа наших мыслей заставило нас изменить и свой экспериментальный подход. Чтобы разобраться в том, какую роль нейронные цепи гиппокампа играют в работе памяти, нам нужно было узнать, как сенсорная информация достигает гиппокампа, что там с ней происходит и куда она поступает после выхода. Очень трудная задача, ведь на тот момент почти ничего не было известно о том, как сенсорные сигналы достигают гиппокампа и как гиппокамп посылает информацию в другие области мозга.
Поэтому мы провели ряд экспериментов, чтобы изучить, как различные сенсорные раздражители (осязательные, слуховые и зрительные) влияют на картину потенциалов действия пирамидальных нейронов гиппокампа. Мы наблюдали лишь нерегулярные вялые реакции – ничего общего с теми бодрыми реакциями, о которых сообщали другие исследователи, изучавшие нейронные пути соматосенсорной, слуховой и зрительной коры. Наша последняя попытка разобраться в том, как гиппокамп может участвовать в работе памяти, состояла в изучении свойств синапсов, образуемых входящими аксонами перфорантного пути на нейронах гиппокампа. Мы периодически стимулировали эти аксоны с частотой десять импульсов в секунду и отметили увеличение синаптической силы, продолжавшееся примерно от 10 до 15 секунд. Затем мы стимулировали их с частотой от шестидесяти до ста импульсов в секунду и вызвали эпилептический припадок. Это были интересные результаты, но совсем не те, что мы искали!
Когда мы лучше разобрались в гиппокампе, поняли, что задача узнать, как его нейронные сети обрабатывают запоминаемую информацию и как они меняются в процессе обучения и сохранения воспоминаний, чрезвычайно сложна и ее решение потребует очень долгого времени.