Волки и овцы

Неискушенному в биологических проблемах читателю может показаться, будто противоречия между химической и структурной теориями памяти так глубоки, что об их объединении не может быть и речи. Ф. Розенблат с этим не согласен. В 1967 году он предложил объединенную теоретическую модель памяти.

Поводом для ее создания послужили два наблюдения. Давно известно, что между концевой бляшкой нервного волокна и клеточной мембраной другого, куда она прикреплена, находится синаптическая щель, хорошо видная в электронный микроскоп. Ширина щели довольно постоянна, около 200 ангстрем.

О работе синапсов был уже разговор. Напомню, что исследователи умеют получать отдельные детали нервной ткани: мозговое вещество измельчают в ступке, превращая в однородную кашицу, протирают через тончайшие сита, а затем центрифугируют. Можно подобрать такой режим вращения, что в осадок выпадут одни синапсы: концевые бляшки нервного волокна с кусочком клеточной мембраны, к которой они прикреплены.

Даже в очень хорошо разрушенном мозгу никогда не удается найти синаптических бляшек, отдельных от мембраны. Значит, они прочно скреплены друг с другом. Но как это понять, ведь на электронограммах отчетливо видна разделяющая их щель. Что же их соединяет?

В 1962 году Грею удалось увидеть стропила, удерживающие бляшку на поверхности клетки. В электронном микроскопе при максимальных увеличениях можно разглядеть короткие внутрисинаптические нити длиной около 100 ангстрем. Грей впервые обнаружил, что одни нити выходят из клетки, другие из бляшки, а посередине они соединены друг с другом серповидными сращениями. Розенблат счел возможным приписать им определенную роль в химической передаче памяти.

Его рассуждения шли таким образом. Пусть в каждом нейроне из 100 возможных генов, руководящих выработкой полипептидных фрагментов, есть 50. Используя различные комбинации этих фрагментов, можно построить такое огромное количество белковых структур, которое значительно превысит число нейронов головного мозга человека. Определенный запас кодонов (так в соответствии с терминологией генетиков были названы эти полипептидные фрагменты) всегда содержится в телах и отростках нервных клеток. В момент возбуждения нейрона кодоны выделяются в синаптическую щель.

Предоставленные сами себе, они оказываются очень нестойкими и быстро разрушаются под действием соответствующих ферментов. Иная судьба ожидает кодоны, если одновременно возбуждено два нейрона, соединенных между собою синапсами. Предполагается, что кодоны разнородного происхождения обладают способностью соединяться друг с другом и вновь образованные агрегаты застревают между идущими параллельно нитями. Попавшие в «щель» между нитями кодоны не разрушаются и скрепляют нити.

Чем чаще происходит совместное возбуждение двух нейронов, тем большее число нитей связывает концевую бляшку одного из них с постсинаптической мембраной другого и тем прочнее эти нити скреплены. В постоянно функционирующих синапсах места соединения нитей постоянно ремонтируются и укрепляются. В нефункционирующих синапсах, напротив, ветшают, нити расходятся, а синапс распадается.

Вакантное место тотчас занимает какое-нибудь свободное нервное волокно. Судьба вновь возникшего синапса зависит от его активности. Сохранится только постоянно действующий синапс, а неактивный быстро разрушится, уступив место другому волокну. Таким образом, путем подбора нейронов, между которыми необходимо «поддерживать» связь, и кодируется память.

Описанная модель хорошо объясняет специфичность химического переносчика памяти. Каждый кодон способен соединяться лишь с нитями своей родной клетки. Для образования нового синапса необходим конгломерат из двух кодонов. Так как каждая группа родственных нейронов имеет свое химическое лицо (в этом сейчас почти никто не сомневается), то каждый конгломерат кодонов способен вызвать образование синапсов только между соответствующими нейронами.

С посторонними нейронами они не соединятся. Зато взятые от другого животного кодоны в мозгу реципиента создадут новые синапсы, то есть перенесут определенные знания. Кодоны могут быть изготовлены в лаборатории, и искусственно синтезированная память помещена в мозг.

Модель позволяет составлять прогнозы, которые могут помочь дальнейшим экспериментальным поискам. Например, можно предсказать молекулярный вес кодонов, потенциально необходимый, чтобы закодировать все синапсы центральной нервной системы. Кодонами, построенными из 4 аминокислот, можно закодировать миллиард типов синапсов. В этом случае их молекулярный вес должен быть около 5 тысяч. Если кодоны созданы из большего числа аминокислот, их молекулярный вес может быть существенно меньше.

Не следует относиться к модели Розенблата как к чему-то вполне реальному. Ее цель – показать, что объединенную структурно-химическую теорию памяти можно реально представить. Сам автор подчеркнул, что вступил в область научного вымысла.

Вряд ли модель найдет большое количество сторонников, хотя идея хороша. В ее защиту мне хочется сказать следующее. Весьма обычно длительные и ожесточенные споры двух группировок ученых, предлагающих, казалось бы, непримиримые концепции для объяснения какого-нибудь физиологического механизма, кончаются не выбором одной из них, а созданием объединенной концепции, включающей обе точки зрения. Чем жарче научные дискуссии типа «или – или», тем чаще окончательное решение вопроса имеет тип «и… и…».

Архивариус нашего мозга

В 1887 году в Париже открылся очередной съезд невропатологов и психиатров. На нем необычайный успех имел доклад молодого, дотоле никому не известного русского врача С.С. Корсакова, сделанный вне программы. Доклад был посвящен описанию психоза, возникающего на почве хронического алкоголизма. Автор уделил большое внимание физиологической сущности заболевания.

Председательствующий от имени съезда поздравил русского ученого с крупным открытием, показавшим, что психозы являются болезнями мозга. Страшно подумать, но менее ста лет назад это еще нужно было доказывать. На следующем съезде заболеванию официально присвоили наименование корсаковского психоза. Под этим именем оно и вошло в мировую медицинскую науку.

Главные симптомы корсаковского психоза: расстройство запоминания, расстройство ориентировки во времени, конфабуляции и полиневрит. Отбросим полиневрит, здесь нас будут интересовать только три первых симптома. Они явно взаимосвязаны. В их основе расстройства памяти на недавние события.

Больной не в состоянии запомнить даже самых обыденных вещей. Он не знает, обедал ли сегодня, многократно здоровается с врачом, так как забыл, что уже несколько раз с ним встречался, не может запомнить имена больных, находящихся с ним в одной палате, не может даже приблизительно сказать, о чем был только что просмотренный фильм.

При такой забывчивости больному трудно следить за течением времени. Он не знает, какой сейчас год, месяц, день недели, число, час, так как забыл вчерашнее число и сколько было на часах, когда он смотрел на них последний раз. Тщательный анализ, проведенный под гипнозом, показал, что сам отсчет времени не нарушен. Больному можно внушить, что он должен позвонить по телефону через полчаса после окончания гипнотического сеанса, – и он выполнит волю гипнотизера. Нарушен лишь гносис времени – его узнавание.

Последний симптом – конфабуляции, то есть выдумки, – тоже связан с расстройствами памяти. Обычно больные стесняются своей забывчивости и стараются скрыть от окружающих этот дефект. Пойманные с поличным, они пробуют отшутиться, а припертые к стенке начинают врать, выдумывая всевозможные истории. Больной может рассказать врачу, что вчера был в концерте, о завтраке, каким накормила его утром жена, и о школьном сочинении дочери, а сам уже много месяцев безвыходно в клинике.

Виною вранья все та же память. Воспоминания о давно прошедших событиях сохраняются лучше, чем о текущих, но и в них больным разобраться трудно. Они не могут точно определить, когда происходили те или иные события. Отсюда естественная путаница в воспоминаниях.

Вранье больного с корсаковским психозом не имеет ничего общего с выдумками людей, подверженных галлюцинациям. Здесь нет ничего неестественного. Все когда-нибудь действительно случалось с ним или с кем-нибудь из его близких. Он просто путает, когда, с кем и в какой последовательности происходили события, с трудом извлеченные им из глубин слабеющей памяти.

При корсаковском психозе наблюдается множественное поражение различных отделов мозга. Особенно сильно страдает гиппокамп. Это послужило поводом считать его кладовой мозга. Повреждение гиппокампа всегда приводит к нарушению памяти. Об этом свидетельствуют десятки исследований.

Наиболее впечатляющи опыты на кедровках. Их родина – сибирская тайга. Когда в кедрачах созреют орешки, для птицы наступает страдная пора. С раннего утра и до позднего вечера трудится кедровка, делая запасы впрок. До наступления снегопадов она должна сделать запасы продовольствия. Всю долгую зиму, выкапывая в снегу глубокие норы, она будет питаться орехами, а весной выкармливать ими птенцов.

Прилежная кедровка успевает заготовить 70 тысяч орешков. Трудность не только в том, чтобы успеть наколупать их из шишек, надо еще надежно спрятать. Конечно, можно было бы найти подходящую яму или солидное дупло, но так поступать рискованно. Зимой в тайге кедровый орех – величайшая ценность. Любителей попользоваться даровыми кормами найдется сколько угодно – от крохотных полевок до хозяина тайги – медведя.

Вряд ли создание большой кладовой могло бы пройти незаметно. Поэтому кедровка прячет орешки небольшими порциями по 10–20 штук, зарывая их в землю или мох, засовывая за отставшую кору, под валежины и трухлявые пни. В результате получается до 6 тысяч кладовок. Держать в них запасы надежнее – все не разворуют, но как запомнить такую массу хранилищ, как их найти, когда землю припорошит снег?

С этой труднейшей задачей кедровки отлично справляются, помня в течение четырех-шести месяцев места своих кладовок. Приходится признать, что кедровкам присуща уникальная зрительная память, по объему значительно превосходящая человеческую. Для изучения памяти лучшего объекта не придумаешь.

Опыты с кедровками проводили прямо в тайге. В огромную клетку – вольеру по очереди выпускали птиц. В первом эксперименте в клетку ставили кормушки с орехами, и птицы немедленно приступали к сооружению кладовок, а экспериментаторам оставалось только тщательно регистрировать их расположение. Затем птицу отсаживали на несколько часов или дней, и когда она вновь возвращалась в вольеру, кормушки уже не было. Чтобы не умереть с голоду, кедровкам приходилось разыскивать свои запасы. Делали они это блестяще, птицы вспоминали 90 процентов своих кладовых.

Удаление гиппокампа не уменьшило прилежания птиц. Оперированные кедровки делали запасы так же усердно, как и здоровые, но запомнить места своих кладовок не могли. Проголодавшись, птицы рылись во мху. Случалось, в конце концов натыкались на свои или чужие хранилища. Однако сразу было видно, что орехи найдены случайно.

Неоперированные птицы попусту в лесной подстилке не рылись. Они сразу находили корм, как будто только что его там спрятали, и никогда не брали чужих орехов. Не из честности, конечно, просто они и не подозревали о чужих запасах.

Гиппокамп связан с памятью, но не он служит кладовой мозга. Он всего лишь перевалочный пункт или транспортер, с помощью которого информация передается на хранение в другие отделы мозга. Порядочная хозяйка не тащит себе в кладовку все, что попало. Она отбирает для хранения только вещи, которые наверняка понадобятся. А как поступает мозг? Где, какой отдел заведует отбором материалов, направляемых в архив?

Возможно, архивариусом служит гиппокамп. Есть предположение, что для запоминания обязательно нужна его санкция. Здесь обнаружены нейроны, отвечающие активностью только на первые предъявления новых раздражителей, новых ситуаций. Стоит несколько раз повторить раздражитель, и нервные клетки гиппокампа перестают на них реагировать. Особенно сильной реакцией отвечают нейроны на раздражители, имеющие для животного важное значение. Вот, видимо, что является критерием для принятия гиппокампом решения. Новый, не имеющий значения раздражитель, может вызвать лишь мимолетную реакцию. Значит, гиппокамп не дал санкции на хранение информации и кратковременная память не перейдет в долгосрочную.

Киностудия «Морфейфильм»

Законодательство Суффолка

В графстве Западный Суффолк (Великобритания) существует закон, согласно которому наказуется штрафом всякий читатель публичной библиотеки, если ему случится невзначай задремать над скучной книгой. Специальный служащий обязан неусыпно следить за строжайшим исполнением закона. Хотя обложение налогом сонь приносит немалый доход публичной библиотеке Суффолка, он не получил на Британских островах всеобщего распространения.

Библиотечные работники Кембриджского университета значительно демократичнее. Они не только не гонят тех, кто клюет носом, но даже не подвергают репрессиям уснувших. Ведь спящий человек, если он не храпит, ничем не мешает окружающим.

В Кембридже считают гораздо опаснее зевающих читателей. Мало того, что зевота нарушает торжественную тишину читальных залов, она, как известно, весьма заразительна. Давно необходим штраф для зевающих, но его учреждению помешали разногласия. Библиотекари не смогли решить, облагать ли штрафом зевающего читателя или взыскивать оный с автора книги как с первопричины зла.

Читатели, естественно, за второй вариант. Работники библиотеки не могут с ним согласиться. Они опасаются, что законодательство в конце концов доберется и до них. Так как далеко не все авторы английские подданные и взыскать с них штраф окажется невозможно, проще штрафовать библиотекаря за комплектацию фондов скучными произведениями.

То, что скучная книга может вызвать сон, заметили очень давно, задолго до возникновения книгопечатания.

В настоящее время мы гораздо лучше знаем о внешних причинах наступления сна, таких, как слабые, монотонные воздействия, чем об истинных механизмах его возникновения.

Древние греки были в лучшем положении. Они вполне определенно знали, что сном заведует бог Гипнос. Его мать богиня ночи Никс, сестра и жена Эреба (олицетворяющего одно из начал мира – вечный мрак), живущая в Аиде, ежедневно покидает его через западные ворота и с двумя младенцами-близнецами на руках – Гипносом и Танатосом отправляется по миру, творя ночь.

Младенцы тоже не теряют времени даром. Гипнос погружает людей в сон, а его несравненно более злой братец, бог смерти Танатос, готовит новые кадры для Аида. Близнецы – дружные ребята. Даже верховные боги во главе с самим Зевсом вынуждены считаться с молокососами. Могущество Гипноса так велико, что боги ему подчиняются, спят. А Танатоса, хоть тот над ними не властен, они смертельно ненавидят.

Греческая легенда о детях Никс отражает представления древних о единстве сна и смерти. Мы к ней еще вернемся.

Сын Гипноса Морфей более благожелателен к людям. Он творит всего лишь сновидения. Характер у него весьма непостоянный. Сегодня он может подарить жуткий сон, довести вас до холодного пота, а назавтра уведет в райские кущи.

Научных теорий сна немало. Их число перевалило за 60. Нужно признать, что научный вес большинства немногим выше греческой легенды. Пока не определено даже, что такое сон. Сейчас ученые вынуждены ограничиться примерно такой формулировкой: сон – это особое периодически возникающее состояние, обеспечивающее восстановление способности мозга к бодрствованию.

В чем состоит восстановление, пока неясно. Большинство специалистов склоняется к тому, что нервные клетки в период сна пополняют расход наиболее важных для жизнедеятельности нейрона веществ.

С этой гипотезой не согласен Шапиро. Он считает, что мозг не успевает справиться с информацией, поступающей в течение дня. Чтобы ее переработать, систематизировать, сопоставить с ранее заложенной в память, нужно время и оптимальные условия работы. Поэтому мозг, получив должную порцию, прекращает текущие дела и начинает подводить итоги.

Вряд ли только в этом сущность сна, но доля истины в предположениях Шапиро, несомненно, есть. С наступлением сна работа мозга не прекращается.

Я не буду пересказывать все теории. Их, как и большинство идей в физиологии, можно сгруппировать вокруг двух основных направлений: гуморального и нервного происхождения сна.

К первой группе гипотез относится токсическая теория. В течение дня в мозгу накапливаются ядовитые продукты, оставшиеся от обмена веществ. Шлак обмена, мусор, который нужно удалить. Видимо, мозг вырабатывает специальные снотворные вещества – гипнотоксины. Возможно, они вырабатываются во всех органах и тканях, занятых работой. Когда этих веществ становится слишком много, мозг бросает свои обычные дела и устраивает «санитарный час», чтобы произвести генеральную уборку.

Подтвердили эту теорию около 60 лет назад французские ученые Пиерон и Лежандре. Они взяли кровь у собаки, которой несколько дней подряд не давали спать, и ввели ее в кровеносное русло другой через два часа после пробуждения от ночного сна. Как ни странно, хорошо выспавшаяся собака тотчас заснула. Аналогичный эффект вызывает спинномозговая жидкость невыспавшихся собак.

Сильным снотворным действием обладает экстракт мозга животных, находящихся в состоянии зимней спячки. Он способен усыпить не только родственных животных, но даже у кошек и собак вызывает длительный сон. Обычные гипнотоксины также носят универсальный характер. Недавно из спинномозговой жидкости коз удалось получить вещество, которое усыпляет крыс. Когда животных лишали сна, его содержание в спинномозговой жидкости значительно возрастало в первые 24 часа, но в дальнейшем уже не менялось.

Кроме гипнотоксинов, из спинномозговой жидкости удалось извлечь вещество с прямо противоположным эффектом. Интересно, что вещество бодрствования может быть получено как от животных, хорошо выспавшихся, так и после многих бессонных ночей.

Многие экспериментальные факты не укладываются в гуморальную теорию. Главный из них – наблюдения за сросшимися близнецами (и за животными с искусственно соединенной кровеносной системой, так сказать, искусственно сшитыми). Сиамские близнецы, имеющие раздельную нервную систему и общее кровообращение, спят как трехглавый Змей Горыныч Кащея Бессмертного: одна голова спит, другая дремлет, третья на посту.

Значит, роль гипнотоксинов в ежедневной смене сна и бодрствования невелика.

Одна из нервных теорий предполагает, что сон особое состояние заторможенности, которое наступает от безделья. Когда организм после дневных трудов устает, мышцы нашего тела расслабляются, особенно если мы к тому же приляжем, и перестают слать в мозг свою обычную информацию о степени напряжения и о проделываемой работе.

Мышечная информация составляет весьма значительную часть от общих сведений, получаемых ежеминутно мозгом. Лишившись ее, мозг впадает в прострацию, засыпает. В конечном итоге усталость приводит к прекращению потока информации и от других органов чувств.

Усталая мышца века расслабляется, и оно закрывает глаз. Расслабление мышцы, натягивающей барабанную перепонку, ограничивает поток звуковой информации и т.д. Известная доля истины есть и у этой теории. Ограничение потока информации действительно способствует погружению в сон, но явно не является главной причиной.

Наиболее спорны и менее понятны теории, пытающиеся найти командные центры сна. Когда накопилось достаточно много сведений о локализации в мозгу различных функций, исследователи невольно задумались, нет ли специальных центров, управляющих сном. Ответ на этот вопрос дал Гесс. Погрузив электроды в заднюю часть гипоталамуса и пропустив через них ток, он мог вызвать у животного сон в любое время дня и ночи.

Сходной точки зрения придерживаются клиницисты. Поскольку существуют заболевания мозга, сопровождающиеся либо усилением сна, либо его расстройством, можно, выявив пострадавшие участки, узнать, где находится центр, управляющий сном. Невропатологи пришли к выводу, что существует два мозговых центра заведующих сменой сна и бодрствования. «Центр сна» ответствен за наступление и поддержание сна. «Центр бодрствования» – за пробуждение и поддержание активного состояния.

В нашей стране в течение многих лет наибольшим признанием пользовалась павловская теория сна. Павлов и его ученики не раз замечали наступление дремотного состояния или сна экспериментальных животных во время опыта. Собаки засыпали в самых различных ситуациях. Общим было одно: распространение тормозного процесса на значительные участки коры больших полушарий. Когда большая ее часть окажется захваченной тормозным процессом, наступает сон. Таким образом, сон по Павлову – это торможение нервных клеток, начинающееся в коре и отсюда распространяющееся на другие структуры.

Еще на заре возникновения учения о высшей нервной деятельности И.П. Павлов заметил, что нервные клетки весьма ранимы. Любое значительное усиление их деятельности, любое сильное внешнее воздействие может привести к их гибели. Этого не происходит потому, что клетка затормаживается, отключаясь от всего стороннего, и тем самым сохраняет свою жизнь. Таким образом, тормозной процесс выполняет еще и охранительную роль.