«Теоретически вернуть память можно, но... проблема в адресности. Память нужно...».

«Нам нужны и глиальные клетки, и нейроны...».

Как устроен мозг? Что такое глиальные клетки и какую роль они играют в процессах запоминания и обучения? Можно ли стереть память или вернуть ту, что была утрачена? Почему не умеют лечить нейродегенеративные заболевания? Что нужно сделать, чтобы этому научиться? Об этом рассказывает научный руководитель института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН академик Павел Милославович Балабан.

Павел Милославович, всю жизнь в науке вы занимаетесь исследованиями мозга. Как для вас это началось?

Я довольно рано пришел в лабораторию, где-то на втором курсе МГУ. Мой научный руководитель, один из гениальнейших людей ХХ в. профессор Евгений Николаевич Соколов, филолог, психолог, психофизиолог, понимал: чтобы лечить болезни мозга, нужно знать механизмы. Уже в конце 1960-х ? начале 1970-х гг. он сформулировал задачу исследования мозга на уровне отдельных нейронов и их связей. В то время это было технологически очень сложно. Исходя из того, что мы хотим понять, как организованы нейронные сети мозга и как они управляют поведением, первая задача, которую он мне поставил, была очень интересная: взять любую простую улитку, о которой известно, что у них очень крупные нейроны. Мы можем в них втыкать стеклянные микроэлектроды и регистрировать их активность на совершенно другом уровне. Не экстраклеточная регистрация, когда идут отзвуки активности, как при регистрации ЭЭГ у человека, ? это отзвуки работы мозга, как шум толпы на стадионе. На уровне ЭЭГ в те годы уже было довольно много сделано, и стало понятно, что к механизмам здесь не подобраться. По шуму толпы не понять правила игры.

А этот отклик у каждого свой и мы таким образом изучаем индивидуальную реакцию?

Он всегда разный даже у одних и тех же игроков. А мы хотим понять правила. Но для понимания правил нужно регистрировать каждого игрока. Если у нас миллиарды нейронов, то у брюхоногих моллюсков их тысячи. Задача была поставлена очень просто: найти какую-то простую поведенческую реакцию и понять, какая нервная сеть лежит в ее основе. В каком-то смысле эта задача лет через 20 была решена. Но тем не менее мы все равно плохо понимаем принципы работы нейронной сети. Проблема оказалась в том, что даже если в нервной системе всего 1 тыс. нейронов, то у каждого из нейронов ? десятки тысяч связей. Нам пришлось так или иначе работать с этими синаптическими связями. Их слишком много для анализа. При этом нужно регистрировать каждый нейрон сети, а это даже сейчас технически невозможно. Мой личный рекорд ? 450 нейронов одновременно.

Могут ли тут помочь суперкомпьютеры?

Нет. Не существует универсальной технологии визуализации. Куда мы направили свет и объектив, там и регистрируем. А надо регистрировать, может быть, в соседних местах. Проблема в том, что, по сути, мы регистрируем «под фонарем». Где подсветили, там и регистрируем. А куда нужно было светить? Особенно эта проблема остра для высших животных. У человека уже 80 млрд нервных клеток, у мыши ? около десяти, но ведь миллиардов! И это только нервных клеток. Однако задача была поставлена, и мы очень быстро перешли к тому, что зарегистрировали простейшие реакции, получили какие-то данные, было довольно интересно.

Но очень быстро встал вопрос: а возможно ли ассоциативное обучение у простейших животных? В те годы бытовало мнение, что у простых животных нет ассоциативной памяти. Я попал по распределению в институт ? наследник идей И.П. Павлова, и тут память, обучение ? это приоритет. Поэтому очень быстро была поставлена задача выработать условные рефлексы. Нам пришлось придумывать необычные способы, потому что работать с простыми животными отнюдь не просто. Они все время разбегаются, во время опыта их в клетку не посадишь.

Что же это за способы?

Один из способов, которым все пользуются с конца 1960-х гг., я подсмотрел в статье о тараканах, где они бегали по цилиндру. Они двигаются, но остаются на месте, потому что их прикрепили за спинку. Мы придумали для моей дипломной работы нечто подобное: берем крупную виноградную улитку, крепим пластилином за раковину к кронштейну, а под нее помещаем шар, который плавает в воде. Я купил в «Детском мире» легкий пластиковый шар. Улитка ползет с любой скоростью и в любом направлении, но остается на месте. Поэтому мы можем поставить видеорегистратор, фотографировать, предъявлять стимулы ? она фактически на одном и том же месте. Так можно объективно замерять ее реакции. Соответственно, не нужно гоняться за животным.

Лет через 15 мы сумели имплантировать улитке хронические электроды ? это то, что сейчас Илон Маск делает на людях. А мы делали такие же 12-микронные на улитках. Тончайшие проволочки имплантировали прямо в мозг, к отдельным нейронам, выводили наружу контакт и регистрировали в свободном поведении. Таким образом, мы осуществили самое важное, чего от нас требовали наши учителя начиная с Ивана Петровича Павлова и заканчивая моим учителем Евгением Николаевичем Соколовым, ? объективную регистрацию. Не протокол и мнение экспериментатора, как принято в когнитивных исследованиях при работе с человеком, а просто объективная реакция животного. Мы изобретали разные методики, уникальные регистраторы...

Например?

Нам нужно было зарегистрировать изменения светового луча, в котором находились какие-то органы улитки. Это должна быть линейная запись в определенном диапазоне. Нам сразу сказали: берите солнечную батарею. Но у обычной солнечной батареи оказалась очень нелинейная зависимость тока от света. По сути, ноль-единица. Нам это не подходило. Мы пошли к инженерам, сказали: нам нужна солнечная батарея, только линейная. Они ответили, что такая есть, но на основе не кремния, а германия. В итоге в одном из НИИ нам подарили несколько кусочков такой германиевой батареи в виде обломков, а стоимость германия намного выше золота и платины. Когда я спросил, откуда эти обломки, мне сказали, что это остатки упавшего спутника. А в космосе иногда используют германиевые батареи. Так мы работали на остатках упавшего спутника и до сих пор на них работаем.

Что самое важное вам удалось понять о работе мозга за эти годы?

Вопрос очень трудный. В том, что мы делали, у нас было много поворотов в научной тематике. Сначала мы хотели просто понять: как нейроны взаимодействуют друг с другом, что такое синаптическая пластичность, как эти контакты изменяются при обучении? Довольно быстро удалось установить много закономерностей, хотя почти все нейрофизиологи в 1970–1980-х гг. фактически занимались только этим.

К концу 1980-х гг. стало ясно, что микроэлектродная техника, позволяющая регистрировать четыре-пять нейронов одновременно, не перспективна. И мы перешли на оптическую регистрацию. Я считаю, что наша лаборатория первая в России перешла на оптическую регистрацию электрической активности. Нам удалось увидеть электричество. А это означает ? все, что попало в площадь зрения, мы видим.

Мы с этим работали лет десять, узнали довольно много интересных вещей. Мы занимались в том числе и поиском новых лекарств, в частности противоэпилептических. Но все-таки оказалось, что это не очень продуктивно для нервных сетей, состоящих из тысяч и десятков тысяч нейронов, разбросанных к тому же по разным местам. А оптическим методом мы смотрим максимум в двух местах, если сумеем свести два объектива вместе, но как это сделать технически, непонятно, чрезвычайно сложно.

После наших оптических исследований мы перешли к генетически кодируемым сенсорам и к анализу на уровне генома. Я считаю, в нейрофизиологии наша лаборатория была одной из первых в России.

Почему это было важно?

Прежде всего, если мы рассматриваем какие-то изменения в нервной системе, которые длятся больше часа, то есть какие-то длительные изменения, в этом случае обязательно включается геном.

А почему именно час? Или это условно?

Нет, это абсолютно не условно. Есть электрические события, происходящие в клетке. Любая клетка, не только нервная, стремится к какому-то среднему положению; понятие гомеостаза существует с XVII в., его никто не отменял. Если клетка после какого-то воздействия не вернется к среднему состоянию, то на следующий раз не отреагирует. И все электрические события, регистрируемые в клетке, если больше не производить никаких воздействий, возвращались к норме за 40–50, максимум 60 минут. При этом долговременная память еще не была видна, она только начинала появляться. Поэтому было твердое ощущение, что мы ищем не совсем там, где надо. Конечно, эти изменения эффективности связей между нейронами важны, но точно не в них лежит что-то, что меняется надолго ? на неделю, месяцы, годы.

Каким образом вы видели, что сейчас начала формироваться долговременная память, а вот до этого ? еще нет?

Тут нам повезло: мы одновременно работали и на мышках, и на улитках. На самом деле примерно с 1990-х гг. мы использовали низших животных, чтобы проверить: а есть ли сам феномен? На высших животных, на человеке любые исследования повторить очень трудно из-за слишком большого количества неконтролируемых факторов. А у простых животных гораздо меньше неконтролируемых факторов, им даже кислород толком не нужен. Температура может быть в более широком диапазоне, потому что это хладнокровные животные. И если какой-то эффект повторяется на улитках, это означает, что этот феномен действительно существует в биологии и можно попробовать посмотреть какие-то базовые механизмы.

И однажды мы сумели выработать ассоциативные изменения прямо в чашке Петри, а потом промерить с большой частотой. Но никто не понимал, почему через час, через два после обучения начинает формироваться долговременная память. Все просто ждали несколько часов.

Мы сделали инвитро-систему, которая не может не реагировать, и увидели экспериментально, что в течение первого часа после окончания обучения памяти нет. Все нейроны, все синаптические связи на месте, а памяти нет. Потом мы ничего не делаем, просто ждем, и она постепенно появляется. Это абсолютно точно совпадает с периодом так называемой консолидации памяти.

А что вы видите в момент появления долговременной памяти? Как это выглядит?

В наших экспериментах мы регистрировали активность нервных клеток, связанную с оборонительным поведением, с отдергиванием улитки.

Потому что вы делали ей больно?

Нет. Само обучение заключалось в том, что мы предъявляли запах любимой пищи, и эти клетки никогда не реагировали на это, потому что они связаны с оборонительным поведением. Но после сочетания пищи с очень сильным отрицательным подкреплением ? электрошок или хинин на хеморецепторы ? первый час ничего нет, а через полтора-два часа в клетках оборонительного поведения появилась реакция на вкус или запах пищи, в зависимости от эксперимента.

Этот таинственный первый час для меня всегда был загадкой. Что происходит? Нейроны ? вот они, на месте, но где что-то происходит? Сами нейроны не меняются, меняется эффективность их входов. Какие-то связи меняются. Это всегда вызывало недоумение, но ничего не сделаешь, все ждут, а потом тестируют.

Наверное, не все задавались вопросом, просто принимали как факт. А вы задались этим вопросом.

Все задавались этим вопросом. Есть опыт английских авторов из Университета Сассекса на еще более простых улитках, они проверяли каждые десять минут (а мы ? каждые 30 минут) и получили то же самое: что есть время, когда памяти нет, потом она появляется, потом исчезает. У них даже получилось два периода, не знаю, с чем это связано. Но есть время, когда памяти нет, потом ничего не делаешь, а она появляется. Это означает, что долговременная память и первоначальная реакция ? это два разных процесса. Так их теперь и различают: есть кратковременная память, и она уходит на ноль.

В течение часа или двух?

Примерно так. Долговременная память в это время только начинает появляться. И в зависимости от интенсивности стимула вы можете увидеть тот момент, когда уже нет кратковременной памяти, но еще нет долговременной. И все предпочитали с этим не связываться.

Второй «звоночек» в этой области был, когда в 2006–2008 гг. была открыта молекула, специфически связанная с памятью. Мы пытались ее блокировать, чтобы понять, действительно ли она связана с памятью. У нас ничего не получилось. Это молекула одного из ферментов, отвечающего за доставку рецепторов в контакты между нейронами. Это белковая молекула, живущая несколько дней. А белковые молекулы участвуют в реализации памяти, но не должны ее кодировать.

И мы сделали ту же ошибку: сразу после обучения вводили пептидный блокатор, действовавший около часа. И у нас ничего не получилось. Потом мы посмотрели литературу, посоветовались с коллегами и поняли, что величина этой молекулы только через полтора часа нарастает в таком количестве, когда она может себя проявлять. И вот тогда надо действовать. Мы попробовали, и все получилось. Мы стерли память.

Значит, так можно стирать травмирующие воспоминания?

Можно, если бы организм вырабатывал такие блокаторы. Но он их не вырабатывает.

Но их можно вводить искусственно?

Теоретически да, но их нужно вводить адресно, чтобы попасть в тысячу нейронов из 80 млрд. А это на сегодня нереально. Пока нереально.

Но в природе есть другой способ. Кстати, одно из направлений наших исследований — и, мне кажется, очень важное направление, ? как природа модифицирует память. Ведь она у нас все время меняется. Если бы мы не могли модифицировать память, ослаблять и усиливать, то накопление произошло бы очень быстро и вряд ли организм мог бы справиться с этим. Говорят, что есть несколько людей на планете, которые помнят все. Их называют эйдетиками. Эти люди не могут работать, общаться, потому что они все время переживают свои воспоминания. Но научных описаний я не нашел.

По поводу стирания памяти: тот механизм, на который мы в свое время наткнулись, мне кажется, самый действенный и самый простой. Он завязан именно на активность нейронных сетей, специфически участвующих в формировании и хранении конкретного вида памяти. Оказывается, когда активируется нейронная сеть, в каждом из активированных нейронов включается синтез очень простой молекулы, самой маленькой ? оксида азота. Она представляет собой свободный радикал ? очень реакционно способная молекула, она реагирует со всем, что есть рядом. Она существует всего две-три секунды, что тоже очень важно: чтобы не стереть лишнего. Она фактически связывается со всеми белками в округе, и эти белки встают в очередь на уничтожение, меняют свою функцию, пространственную конфигурацию и уже не могут функционировать. И оказывается, что фермент, производящий оксид азота, пространственно «сидит» на одном из основных рецепторов для запуска формирования памяти.

То есть там, где память начинает формироваться, активируются молекулы, уничтожающие память? Получается парадокс?

Получается, что, когда мы реактивируем какую-то память, избирательно активируется та тысяча нейронов, которые связаны с этой памятью. В каждом из них запускается процесс уничтожения этой же памяти. И одновременно запускается синтез новых этих же молекул. И если никакого вмешательства не происходит, то память, скорее всего, даже упрочнится. Новые молекулы придут через 30–40 минут, и все встанет на место. Вы вспомнили что-то ? и замечательно.

Но если в этот момент произойдут какие-то посторонние влияния и не позволят встать на место новым белковым молекулам вместо тех, которые уже разрушаются, то память исчезнет. И это было доказано экспериментально.

Основное вмешательство, используемое в экспериментах, ? это блокада синтеза новых белков. Старые нарушены, новые не приходят, память исчезает. И так и происходит у всех животных ? от улиток до человека.

Если можно стереть память, значит, можно и вернуть. Существует множество нейродегенеративных заболеваний, связанных с потерей памяти. Вы занимаетесь такими исследованиями?

Теоретически вернуть можно, но опять-таки проблема в адресности. Память нужно...

Продолжение https://vk.cc/cwjBl4

Источник: scientificrussia.ru

Комментарии: