Без жабр не выжить, и на случай, если связь SN-MN не сработает, аплизия обзавелась запасным путем передачи сигнала. Ученые выяснили, что сенсорный нейрон заодно посылает сигнал в маленький возбуждающий нервный узел поблизости (Exc). Следовательно, если к сифону прикасаются, сенсорный нейрон активирует сразу и моторный нейрон, и возбуждающий узел; узел, в свою очередь, тоже посылает сигнал моторному нейрону, активируя его. Таким образом, если связь SN-MN откажет, сработает запасной путь передачи сигнала SN-Exc-MN[255].
Жабры не могут оставаться втянутыми вечно, поскольку для выполнения своих функций они должны быть на поверхности. Поэтому через некоторое время ретракцию нужно остановить; с этой целью аплизия обзавелась выключателем. Когда активируется SN, он активирует не только MN и Exc, но с некоторой задержкой еще и небольшой тормозной узел (Inh), который тормозит ветвь Exc (которая, напомним, есть чуть более медленный путь от сенсорного нейрона к моторному, поэтому именно на него направлено это отсроченное торможение). В результате моторный нейрон больше не активируется и жабры возвращаются на поверхность тела.
Схема SN/MN/Exc/Inh – это не вещь в себе; ее работа может изменяться под влиянием того, что происходит в других местах аплизии. В задней части слизня находится, как ни странно, хвост. Если ударить по хвосту током, он посылает сигнал тревоги сифону; в результате, если вскоре после этого потрогать сифон, жабры втянутся на время, в два раза превышающее обычное. Тревожные новости на хвосте делают сифон чувствительнее к собственным тревожным новостям.
Какой должна быть схема нейронных связей, чтобы события в хвосте повышали чувствительность механизма втягивания жабр? Представить нетрудно. Здесь нужен сенсорный нейрон в хвосте (TSN), который реагирует на удар током, и у него должна быть возможность сообщаться с цепью SN/MN/Exc/Inh. Когда TSN активируется, он повышает возбудимость и SN, и Exc.
Заметьте, что при ударе по хвосту жабры не втягиваются – возбуждение в TSN слабое и само по себе активировать моторный нейрон не может. Зато входной сигнал от TSN увеличивает силу сигнала SN-MN в ответ на прикосновение к сифону. Другими словами, удар током по хвосту усиливает рефлекс втягивания жабр.
Прекрасно. Аплизия может втягивать жабры в ответ на прикосновение к сифону; на всякий случай у нее есть резервная схема передачи сигнала и есть средства вернуться к исходному состоянию, а еще она может повысить бдительность и чувствительность всей системы, если что-то плохое происходит на другом ее конце.
Откуда нам столько известно про внутреннюю жизнь этого моллюска? Из работ одного из богов нейронауки, Эрика Кандела, нейробиолога из Колумбийского университета. Вот иллюстрация к его нобелевской лекции 2000 г.{310}:
Несколько мелких деталей: 5HT – это химическое обозначение нейромедиатора (серотонина), используемого TSN. SCP и L29 – средства тонкой настройки системы; для простоты мы на них внимания обращать не будем. В сифоне расположены 24 сенсорных нейрона (SN), которые передают сигнал для шести моторных (MN)
Четкость и наглядность схемы соединения нейронов, выработанной моллюском, не могут не восхищать. К сожалению, однако, к нашим проблемам она отношения не имеет; у нее больше общего с работой микроволновки, чем с происходящим в нас, когда мы ошибочно полагаем, будто изъявляем свою свободную волю. В аплизии происходит еще кое-что, гораздо более интересное, и на это нам действительно стоит взглянуть – ее нервная система может меняться в ответ на опыт. Ее можно тренировать. Она учится.
Нам уже известны два основных правила. Во-первых, если прикоснуться к сифону аплизии, жабры ненадолго втянутся; во-вторых, если продлить прикосновение к сифону до минуты с момента удара током по хвосту, жабры останутся втянутыми в два раза дольше. Но это еще не все. Что произойдет, если нанести четыре удара током по хвосту? Если прикоснуться к сифону в течение четырех часов после этого события, жабры втянутся на время, в три раза превышающее обычное. Нанесите несколько серий интенсивных ударов током по хвосту, и в течение нескольких недель после этого при прикосновении к сифону жабры втягиваются на время, в десять раз превышающее норму. Когда мир становится таким опасным местом, аплизия бдительнее охраняет свои жабры.
Как она это делает?
Из нашего нейробиологического ликбеза нам уже известно, как работает связь SN-MN – когда к сифону прикасаются, сенсорный нейрон выделяет нейромедиатор (который затем заставляет моторный нейрон втягивать жабры).
Теперь нам нужно посмотреть, что происходит внутри сенсорного нейрона, когда по хвосту бьют током. Обратите внимание, сейчас мы будем рисовать сенсорный и моторный нейроны иначе: в нижней части SN выстроились пакеты нейромедиаторов (маленькие кружочки), а в нижней части синапса изображен моторный нейрон и его рецепторы к нейромедиатору (маленькие горизонтальные черточки). Сенсорный нейрон хвоста активируется вследствие однократного удара током и выделяет нейромедиатор, который связывается с рецептором сенсорного нейрона SN, после чего внутри SN высвобождается некое «вещество, индуцируемое активностью TSN» (мы будем называть его просто «вещество»).
Это вещество, выделившееся внутри SN, перемещается вниз, ближе к синапсу, где увеличивает количество хранящегося там нейромедиатора (шаг 1). Если прикоснуться к сифону теперь, SN выделяет в синаптическую щель больше нейромедиатора – и его хватает для того, чтобы удерживать жабры втянутыми в два раза дольше. Примерно через минуту после однократного удара током дополнительные молекулы нейромедиатора, хранящиеся в SN, разрушаются и все возвращается к норме.
Но что произойдет, если нанести по хвосту четыре удара подряд? В этом случае внутри SN высвобождается гораздо больше «вещества», чем после одного удара. Это, очевидно, запускает события шага 1, но не только: теперь избытка «вещества» хватает, чтобы запустить события шага 2 – дополнительное «вещество» активирует ген в ДНК, который производит белок, стабилизирующий нейромедиатор, чтобы сделать его устойчивым к разрушению. В результате нейромедиатор сохраняется дольше, и, если прикоснуться к сифону, дополнительного нейромедиатора, выделенного SN, хватит, чтобы удержать жабры втянутыми в три раза дольше обычного. Через четыре часа после серии из четырех ударов током белок, ингибирующий разрушение нейромедиатора, разрушается сам; в результате дополнительный нейромедиатор тоже разрушается и все возвращается на круги своя (см. следующий рис.).
А что будет, если наносить удары по хвосту интенсивными сериями несколько дней подряд? В этом случае «вещества» выделится огромное количество, достаточное для запуска событий не только шагов 1 и 2, но и шага 3. Для последнего шага «вещество» активирует целую вереницу генов[256], чьи белки принимаются строить дополнительный синапс. Теперь при прикосновении к сифону SN выделяет столько нейромедиатора, что жабры втягиваются на время, в десять раз превышающее обычное. Через несколько недель или месяцев дополнительный синапс разрушается и все возвращается к норме[257].
Итак, у нас тут все организовано по принципам иерархии. В ответ на однократный удар током производятся дополнительные копии некой уже имеющейся молекулы; в ответ на четыре удара создается нечто новое, что будет взаимодействовать с этой уже имеющейся молекулой; в ответ на серию ударов запускается целый строительный проект. Все очень логично. Именно это и показал Кандел (иллюстрация взята из той же его нобелевской лекции).
Но что именно происходит внутри сенсорного нейрона аплизии, которую бьют током? Пробегите этот абзац по диагонали и ни слова из него не запоминайте. Или лучше вообще не читайте, просто заметьте себе, где его найти при необходимости. Итак, подробности. (А) Что же происходит на шаге 1? Нейромедиатор 5HT вызывает высвобождение cAMP (цАМФ), который активирует ранее неактивную PKA, которая воздействует на калиевый канал, чтобы вызвать приток Ca2+ через кальциевые каналы, что приводит к высвобождению большего количества нейромедиатора. (Б) На шаге 2 высвобождается такое количество cAMP, которого хватает не только на запуск событий шага 1, но и для того, чтобы MAPK отщепил CREB–2 от CREB–1, что позволяет CREB–1 димеризоваться в пары, которые взаимодействуют с промотором CRE, включающим ген ранней фазы. Последний запускает синтез фермента под названием «убиквитин гидролаза», который стабилизирует PKA, что продлевает его действие. (В) На третьем шаге приток cAMP достаточно велик для того, чтобы запустить не только шаги 1 и 2, но и шаг 3; высвобождается и димеризуется столько CREB–1, что его теперь достаточно для активации не только гена убиквитин гидролазы, но и гена, кодирующего C/EBP. Белки C/EBP, в свою очередь, активируют ряд генов поздней фазы, белки которых принимаются за строительство второго синапса[258].
Почти полвека работы Кандела, его соавторов и учеников; возникновение целого направления нейробиологии на основе этих открытий – и все это для того, чтобы ответить на один-единственный вопрос: почему травмированная аплизия втягивает жабры на такое долгое время? Мы нарисовали схему и на уровне нейронов, связывающихся друг с другом в цепи, и на уровне химических реакций внутри одного, самого важного нейрона. Это полностью механическая (в биологическом понимании) система, и она способна адаптироваться – меняться в ответ на изменяющиеся обстоятельства; ее даже использовали в качестве модели в робототехнике. Хотел бы я посмотреть, как кто-нибудь попытается приплести к поведению аплизии концепцию свободы воли. Ни одна аплизия, встретившись с другой, не скажет: «Ну и времечко, спасибо что спросил, удары током снова и снова, представления не имею, за что мне это. Пришлось отрастить новые синапсы на каждом нейроне сифона. Думаю, моим жабрам больше ничего не угрожает, но я себя точно в безопасности не чувствую. Для моего партнера это был ад». Мы наблюдаем за машиной, и не машина решает вдруг изменить свое поведение; ее поведение изменяют обстоятельства – сложными, но понятными путями