Самые сенсационные, а также самые модные сейчас теории памяти — это те, в которых предполагается качественное изменение молекул РНК и белков в нейроне. Эти умозрительные гипотезы вызваны к жизни великим открытием нашего века — расшифровкой генетического кода молекул ДНК и РНК. Последовательность нуклеотидов в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК) хромосом служит кодированным сообщением, содержащим огромное количество информации, передаваемой из поколения в поколение. Синтез белка происходит на рибосомах цитоплазмы в соответствии с информацией, закодированной в молекуле ДНК и передаваемой в цитоплазму особым посредником —¦ молекулой информационной РНК.
Содержание РНК в нейроне. Под влиянием упомянутого выше открытия Хиден (Hyden) в Швеции приступил в 50-х годах к изучению РНК и ДНК нейронов мозга и их возможной роли в хранении следов памяти. В своих первых экспериментах он попытался установить связь между участием нервных клеток в процессах памяти и содержанием в них РНК. Он нашел, что нейроны — самые активные продуценты РНК в организме. Содержание РНК в разных нейронах центральной нервной системы варьирует в пределах от 20 до 20 ООО пг. Нейроны, содержащие ее в количествах, близких к верхнему пределу, способны хранить очень много информации. У человека способность усваивать информацию в среднем составляет 25 бит в секунду, и один человек способен за 10 лет накопить 4 млрд. бит, если принять, что ежедневно он воспринимает информацию в течение 10 часов. Для кодирования этого количества информации потребовались бы всего лишь два миллиона пар нуклеотидов, которые содержатся в нескольких нейронах. Более 90% РНК находится в цитоплазме клеток, точнее — в рибосомах. Ядра содержат ее очень мало. Что касается азотистых оснований РНК, то в нейронах находят больше гуанина и цитозина, чем аденина и урацила. Хиден исследовал содержание РНК в мозгу барракуды — рыбы, обитающей в Атлантическом океане. Эта рыба отличается поразительной активностью и подвижностью. Хиден установил у этого вида корреляцию между двигательной активностью и уровнем РНК в мозгу (рис. 58).
Нейроны и глиальные клетки. Хиден обнаружил связь между активностью нервной клетки и содержанием РНК также и при
исследовании в ином аспекте. Он установил, что нейроны спинного мозга содержат 400 пг РНК на клетку в возрасте 20 лег и 700 пг на клетку в 40 лет, а затем к 80 годам ее содержание снова снижается до 400 пг. В последующих экспериментах Хиден выявил регуляторные взаимодействия между количествами РНК в нейронах и окружающих глиальных клетках. Эти последние служат для нейрона энергетической базой: содержание в них РНК растет соразмерно с повышением уровня РНК в нейроне.
Белки. Хиден провел очень интересные опыты в связи с научением и памятью. Чтобы достать с полки корм, крысы должны были балансировать на веревке, натянутой под уклоном 45°. Эту задачу, требующую исключительной ловкости, крысы выполняли за 45 секунд и обучались ей за 4—5 дней. Затем животных умерщвляли и определяли содержание РНК в ядрах Дейтерса в продолговатом мозгу по сравнению с контролем.
пг
О 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 ч
Начало
Рис. 58. Уровень РНК у барракуды при двигательной активности повышается гораздо сильнее, чем в покое. Усиленная активность связана, таким образом, с увеличением синтеза РНК (По данным Хидена.)
При помощи весьма демонстративной методики микропрепарирования Хиден доказал, что общее количество РНК, а также нуклеотидный состав ядерной РНК в вестибулярных нейронах, участвующих в поддержании равновесия, у экспериментальных животных были изменены. Возросло ее общее количество, доля аденина тоже возросла, а доля урацила снизилась (рис. 59). В то же время в цитоплазматической РНК соотношение нуклеотидов не изменилось. По мнению Хидена, главную роль в образовании следов памяти играют не столько количественные изменения (ускоренный синтез белка в связи с увеличением размеров синапсов), сколько специфический механизм хране-
Рис. 59. Хиден обучал крыс балансировать на веревке. При этом у обучавшихся животных содержание аденина в ядерной РНК нейронов в ядрах Дейтерса возрастало, а содержание урацила понижалось.
ния информации, сходный с генетическим кодом РНК. Однако нет данных, которые позволили бы объяснить качественные и количественные изменения, происходящие при обучении не в цитоплазме, а в ядре. Молекула ДНК — чрезвычайно стабильный компонент клетки, не подверженный ни качественным, ни количественным изменениям в связи с активностью нейрона. Как же в таком случае объяснить изменение в составе РНК, для которой ДНК служит матрицей? Было высказано предположение, что это изменение создается электрическими импульсами, поступающими от мембраны. Связь между периодическими мембранными процессами типа «всё или ничего» и изменениями внутриклеточной РНК составляет еще не решенный вопрос биологической теории следов памяти.
Опыты с планариями. Примерно в том же направлении проводили исследования Мак-Коннелл (McConnell) н его сотрудники. Они вырабатывали условные реакции у плоских
червей — планарнй. На этих животных, едва видимых невооруженным глазом, но хорошо различимых под микроскопом, воздействовали сочетанием светового (условного) и электрического (безусловного) стимулов. Условной реакцией было уплывание. По достижении 100%-ного обучения червей разрезали на две части, головную часть отбрасывали, а хвостовой давали возможность регенерировать головной конец (у планарии регенерация происходит очень быстро). К своему удивлению, экспериментаторы обнаружили, что животные с новой головой оказались способны осуществлять выработанную реакцию так же, как до перерезки тела. Информация об этой реакции могла храниться только в нейробластах хвостовой части. '
Та же группа ученых получила и другие столь же необычайные результаты. Самым поразительным был эксперимент, связанный с «каннибализмом» планарий. У группы червей были выработаны условные рефлексы. Затем черви были убиты и размельчены в ступке, а полученные таким образом фрагменты клеток скормлены необученным червям. Эти необученные животные тотчас же оказались способными осуществлять те условные реакции, которые были выработаны у съеденных имн червей.
Опыты лаборатории Мак-Коннелла породили целую лавину экспериментов, в которых делались попытки доказать или опровергнуть возможность «переноса памяти». Опыты с червями, поедающими других червей, были якобы подтверждены некоторыми исследователями, тогда как другие авторы сообщали об отрицательных результатах.
Утверждалось также, что следы памяти передаются с молекулами РНК- Для того чтобы доказать это экспериментально, червей держали в растворе с рибонуклеазой — ферментом, разрушающим РНК. У этих животных выработанная реакция и «перенос памяти» не наблюдались. Был поставлен и такой опыт: из обученных червей экстрагировали РНК и скармливали ее необученным животным вместо вытяжки из всего тела. Сообщали, что в этом случае происходил перенос выработанной реакции.
«Перенос памяти» у млекопитающих. Сенсационные опыты на планариях были восприняты со смешанными чувствами. Поскольку турбеллярии обладают простой организацией и большой регенерационной способностью, сначала возникло предположение, что вводимый «код памяти» каким-то образом включался в вещество нервной системы этих животных. Но более опытные исследователи проявляли по этому поводу скептицизм.
Вскоре появилось несколько сообщений о феномене «переноса памяти» у млекопитающих, что немедленно вызвало в мировой литературе горячие споры. Первые данные были опубликованы в 1965 г. скандинавскими, чехословацкими и
электрошоком в результате переноса
Рис. 60. Схема возможной комбинации биологических теорий памяти. Тонкие параллельные линии — скорость угасания следов (забывания). (По Робертсу.)
американскими учеными почти одновременно. Согласно этим сообщениям, вытяжки из всего мозга или РНК обученных животных стимулировали условнорефлекторную активность у необученных. Мы тоже провели эксперименты в таком роде, и хотя они подтвердили стимулирующее действие экстракта мозга на процессы научения, они показали также, что это объяснялось не «переносом памяти», а только неспецифическим стимулирующим эффектом некоторых компонентов. Такие вещества и раньше экстрагировались из органов животных, но никто не утверждал, что тем самым открыт «код памяти».
Таким образом, по-видимому, ясно, что «перенос памяти» химическим путем или решение вопроса о «коде памяти» оказывается мнимым, по крайней мере на нынешнем этапе развития молекулярной биологии. Шестидесятые годы — время больших ожиданий — сменились годами разочарования и более трезвого подхода. Не исключено, что пептиды мозговых вытяжек, содержащие большее или меньшее число аминокислот, могут играть стимулирующую роль в фиксации следов памяти. И действительно, Г. Унгар (G. Ungar) в Хаустоне и другие получили пептиды, стимулирующие научение. Но даже Унгар не стал бы в наше время заявлять, что, например, скотофобин — пептид из 15 аминокислот, открытие которого несколько лет назад было сенсацией,— содержит «код памяти» для условного рефлекса избегания света у крысы. Этот автор полагает, что правильнее считать его стимулятором, способствующим синаптической передаче.
Молекулярная теория памяти, как можно видеть, весьма дискуссионна. Даже первоначальные эксперименты Хидена не подтверждены однозначно. Доводы в пользу роли замкнутых цепей в кратковременной памяти, а также в пользу теории реорганизации синапсов несколько более многочисленны, однако и по этому поводу последнее слово еще не сказано.
Синтез теорий. Недавно появилась тенденция объединять три наиболее обоснованные теории памяти (рис. 60). Согласно таким представлениям, электрические, синаптические и молекулярные процессы, вызываемые многократными внешними стимулами, зависят один от другого и протекают последовательно.
- Серия сенсорных импульсов, образующая частотный код, запускает реверберационную активность в самовозбужда- ющейся цепи. Реверберирующие бинарные сигналы, взятые в совокупности, сохраняют информацию в аналоговой форме. Эти следы памяти лабильны и быстро исчезают.
- В случае очень интенсивных, часто повторяющихся стимулов или при сильной эмоциональной мотивации ритмические изменения мембранного потенциала — с помощью пока не выясненного механизма — ускоряют внутриклеточный синтез белка. Неспецифически стимулируется образование РНК в нейронах, что усиливает синтез белка. Этот процесс приводит к увеличению синаптических поверхностей между клетками. С кибернетической точки зрения это тоже аналоговый процесс. Информацию содержит не отдельный нейрон, а сеть нейронов, связанных синапсами, функциональная эффективность которых возросла. Закрепленные таким образом следы памяти весьма стабильны.
- Наконец, в случае стимулов чрезвычайно большой силы или длительности не исключено и качественное изменение системы РНК — белок. Как и в системе генетического кода (ДНК—РНК), здесь приходящие электрические импульсы могли бы приводить к образованию качественно отличной РНК, которая затем будет управлять синтезом специфического белка, несущего в себе код памяти.
Из сказанного выше ясно, что хранение следов памяти пока может быть объяснено только с помощью ряда вдохновляющих гипотез.
Единая система памяти? Возможность существования кода памяти, сходного с генетическим кодом, породила умозрительные теории, из которых самые смелые даже постулируют единую в своей основе систему памяти для всего живого. Несомненно, кодирование информации, переходящей от поколения к поколению, доказано, и видовая память уже не является гипотезой. То же самое можно сказать о системе памяти защитных механизмов: взаимодействие антигенов с антителами, т. е. иммунная реакция, представляет собой весьма пластичный процесс — результат своего рода научения, который часто сохра
няется в течение всей жизни индивидуума. Сопоставляя эти факты с описанными выше процессами хранения следов памяти, нам нетрудно увидеть, насколько привлекательным было бы такое обобщение. Разве не может быть, что мозговые механизмы индивидуальной памяти, длительные реакции «иммунологической памяти» и генетическая память вида — это лишь разные аспекты одного и того же биологического закона? Изобретательность ученых безусловно в конце концов поможет ответить на этот вопрос.