Это был большой шаг вперед для редукционистского подхода в исследовании поведения, но нервные аналоги обучения, которыми я хотел заниматься, требовали сделать еще два шага. Во-первых, вместо того чтобы проводить эксперименты на целых животных, я решил выделять их нервную систему и работать на отдельном ганглии – узле из пары тысяч нервных клеток. Во-вторых, я решил выбрать отдельную нервную клетку (клетку-мишень) в этом ганглии и использовать ее как модельный объект для изучения изменений в синапсах, которые могут происходить в результате обучения. Затем я собирался воздействовать электрическими импульсами разного характера, по образцу импульсов, сопровождающих различные формы обучения, на определенный пучок аксонов, ведущий от сенсорных нейронов поверхности тела аплизии к клетке-мишени.
Чтобы исследовать привыкание, я собирался воздействовать на этот нейронный проводящий путь серией слабых электрических импульсов. Для исследования сенсибилизации я планировал один или несколько раз очень сильно стимулировать другой проводящий путь и посмотреть, как это будет влиять на реакцию клетки-мишени на слабую стимуляцию первого пути. Наконец, чтобы исследовать выработку классического условного рефлекса, я собирался воздействовать сильным стимулом на второй путь в сочетании с воздействием слабым стимулом на первый таким образом, чтобы сильный стимул всегда следовал за слабым и мог ассоциироваться с ним. Тем самым я собирался выяснить, меняют ли эти три типа стимуляции синаптические связи других нейронов с клеткой-мишенью и если меняют, то как. Разные изменения синаптической силы, происходящие в ответ на три разных типа электрической стимуляции, будут аналогами, то есть нейробиологическими моделями, синаптических изменений, происходящих в нервной системе аплизии в процессе обучения соответствующих трех типов.
Мне хотелось, чтобы эти нейронные аналоги позволили ответить на один ключевой вопрос: как меняются синапсы в результате воздействия разных сочетаний строго определенных электрических стимулов, имитирующих сенсорные раздражители, используемые в трех основных экспериментах с обучением. В частности, как изменяются синапсы, когда, как при выработке классических условных рефлексов, слабая стимуляция одного проводящего пути непосредственно предшествует сильной стимуляции другого пути, а значит, предсказывает ее.
Чтобы ответить на этот вопрос, в январе 1962 года я подал заявку на постдокторскую стипендию Национальных институтов здоровья, которая позволила бы мне работать в лаборатории Тауца. Моя конкретная цель состояла в том, чтобы “исследовать клеточные механизмы электрофизиологической выработки условного рефлекса и работы синапсов в простой нервной сети. <…> Это исследование будет попыткой разработать методы, позволяющие вырабатывать условные рефлексы в простых препаратах и анализировать некоторые нейронные элементы этого процесса. <…> В перспективе цель состоит в том, чтобы ‘поймать’ условно-рефлекторную реакцию в наименьшей возможной популяции нейронов, что позволит изучать активность задействованных клеток с помощью многих микроэлектродов”.
Я закончил свою заявку следующими словами: “Явная гипотеза настоящего исследования состоит в том, что потенциальная способность к элементарным условно-рефлекторным пластическим изменениям является неотъемлемым и фундаментальным свойством всех, как простых, так и сложных, форм совместной работы нейронов центральной нервной системы”.
Я собирался проверить идею, что клеточные механизмы, лежащие в основе обучения и памяти, скорее всего, эволюционно консервативны, поэтому их можно обнаружить и у простых животных даже при искусственной стимуляции их нервной системы.
Немецкий композитор Рихард Штраус говорил, что лучшую музыку он нередко писал после ссор с женой. В целом в моей жизни все оказалось иначе. Но ссора с Дениз, вызванная тем, что я мало времени проводил с ней и Полом, заставила меня приостановиться и задуматься. В результате я извлек из этой ссоры тот очевидный урок, что хорошо подумать, особенно если это позволит прийти хотя бы к одной ценной идее, намного важнее, чем просто проводить новые и новые эксперименты. Впоследствии мне вспомнились слова, которые Макс Перуц, родившийся в Вене британский специалист по структурной биологии, сказал о Джиме Уостоне: “Джиму никогда не было свойственно путать понятия ‘хорошо подумать’ и ‘хорошо поработать’”.
В сентябре 1962 года, получив стипендию Институтов здоровья, которая давала нам очень неплохую зарплату в 10 тыс. долларов в год, мы с Дениз и Полом отправились на четырнадцать месяцев в Париж.
Часть третья
Уходящий век был поглощен нуклеиновыми кислотами и белками. Следующий сосредоточится на памяти и желаниях. Сможет ли он ответить на вопросы, которые они ставят?
11. Усиление синаптических связей
Жить в Париже было здо́рово, и я привык проводить выходные с Дениз и Полом, гуляя по городу. Благодаря этим прогулкам все мы остались довольны временем, проведенным во Франции. Кроме того, я был рад возможности снова целыми днями заниматься наукой. Мы с Ладиславом Тауцем хорошо дополняли друг друга, поэтому работать у него было одно удовольствие. Вдобавок к тому, что он все знал об аплизии, Тауц учился физике и биофизике, а для клеточной физиологии эти дисциплины имеют принципиальное значение. У меня не было хорошей подготовки ни по одной из них, и я многому у него научился.
11–1. Ладислав Тауц (1925–1999) был одним из первых ученых, изучавших аплизию. В 1962–1963 годах я в течение четырнадцати месяцев работал у него в Париже и Аркашоне. (Перепечатано из книги: E. R. Kandel, Cellular Basis of Behavior, W. H. Freeman and Company, 1976.)
Тауц (рис. 11–1) родился в Чехословакии и получил докторскую степень, изучая электрические свойства крупных растительных клеток, которым тоже свойственны потенциалы покоя и действия, как у нервных клеток. Этот опыт сослужил ему хорошую службу, когда он обратился к аплизии, у которой исследовал самую крупную клетку абдоминального ганглия (которая тогда называлась клеткой I, а теперь называется R2), и описал, в каком месте в пределах этого нейрона возникает потенциал действия. Поскольку он занимался преимущественно биофизическими свойствами нервных клеток, он не изучал ни нейронные цепи, ни поведение и не особенно интересовался обучением и памятью, которые были для меня важнее всего уже тогда, когда я работал с мозгом млекопитающих.
Как часто бывает с успешной работой постдока, она не только дала мне возможность многому научиться у старшего ученого с его образованием и опытом, но также позволила принять полноценное участие в нашей общей работе и использовать собственные знания и опыт. Поначалу Тауц несколько скептически относился к моей идее попытаться исследовать обучение у аплизий на клеточном уровне. Но со временем его тоже увлек мой план изучения аналогов обучения на отдельных клетках абдоминального ганглия.
Как я и планировал, когда обдумывал эти исследования, я препарировал абдоминальный ганглий с двумя тысячами клеток и помещал его в небольшую камеру, омываемую аэрированной морской водой. Я вводил микроэлектроды в одну из клеток, обычно в R2, и регистрировал ее реакции на различные последовательности стимулов, действовавших на ведущие к ней проводящие пути. Я использовал стимуляцию трех типов, основанную на опытах Павлова с собаками, для выработки аналогов форм обучения – привыкания, сенсибилизации и классического условного рефлекса. При выработке последнего животное обучается реагировать на нейтральный раздражитель так же, как оно реагировало бы, например, на определенный угрожающий или отрицательный раздражитель. Таким образом, у животного возникает ассоциация между нейтральным и отрицательным раздражителями. При привыкании и сенсибилизации животное обучается реагировать на раздражители одного типа, не ассоциируя их ни с какими другими. Эти эксперименты оказались еще результативнее, чем я ожидал.
Посредством привыкания (простейшей формы обучения) животное обучается распознавать безвредный раздражитель. Когда оно слышит внезапный шум, поначалу оно реагирует определенными защитными вегетативными изменениями, например расширением зрачков и повышением частоты сердцебиения и дыхания (рис. 11–2). Если шум повторяется несколько раз, животное запоминает, что этот раздражитель можно без опаски игнорировать. Теперь, когда на него действует этот раздражитель, зрачки больше не расширяются, а частота сердцебиения не повышается. Если раздражитель долгое время не будет действовать, а затем подействует вновь, животное снова будет на него реагировать.
11–2. Три формы имплицитного обучения. Привыкание, сенсибилизацию и выработку классического условного рефлекса можно исследовать как на уровне организма (вверху), так и на уровне отдельной нервной клетки (внизу).
Привыкание позволяет людям успешно работать в условиях разного рода шума. Мы привыкаем к тиканью часов в своем кабинете и к собственному стуку сердца, сокращениям желудка и другим телесным ощущениям. Мы начинаем осознавать эти ощущения изредка и лишь при особых обстоятельствах. Таким образом, привыкание – это обучение распознаванию повторяющихся раздражителей, которые можно без опаски игнорировать.
Привыкание также избавляет от неуместных или преувеличенных реакций. Это можно проиллюстрировать на примере следующей басни (да простит нас Эзоп): “Лиса, которая никогда не видела черепах, однажды впервые встретила черепаху в лесу и так испугалась, что чуть не умерла. Встретив черепаху во второй раз, она по‑прежнему сильно встревожилась, но уже не так сильно, как в первый раз. Когда же она встретила черепаху в третий раз, она так осмелела, что подошла к черепахе и завела с ней непринужденный разговор”.
Отключение реакций, которые ни для чего не нужны, позволяет животному сосредоточить свое поведение на более важных вещах. Детеныши многих животных нередко демонстрируют реакцию бегств