ПАМЯТЬ И МОРФОГЕНЕЗ

Природа памяти до сих пор остается одной из самых интригующих загадок нейробиологии. В технических устройствах память и соб­ственно процессор обычно разделены, представляют собой два почти независимых устройства. Первое из них обязательно должно иметь комбинаторно большой спектр долгоживущих состояний с как можно более быстрыми индуцированными переходами между ними. Наличия долгоживущих состояний от второго устройства в принципе не требуется, зато его выходной блок должен быстро приходить в состояние, которое определенным, как правило нетри­виальным, образом соответствует состояниям входных блоков.

Нейрон выполняет функции обоих этих устройств сразу. Это оказывается возможным вследствие того, что одни характеристики его состояния могут меняться медленно, а другие — быстро. Нейрон представляет собой систему с несколькими уровнями дина­мики, каждый из которых имеет свой масштаб времени. При этом медленно меняющиеся характеристики нейрона определяют параметры и граничные условия протекающих в нем быстрых процессов. С другой стороны, многократное повторение одного и того же быстрого процесса может в принципе постепенно сдвинуть медленно меняющиеся характеристики нейрона, что замыкает круг взаимных влияний различных уровней его динамики. Естественно, что подобная система будет и долго помнить свою историю, й быстро реаги­ровать на поступающие извне воздействия. Такой взгляд на принципы организации долговременной памяти хорошо согласуется с общим направлением исследований этой проблемы в нейробиологии.

Под быстрыми процессами в нервной системе подразумеваются процессы формирования и распространения нервных импульсов на мембранах нейронов. Многократное стереотипное повторение таких процессов легко обеспечивается циркуляцией импульсов по замкнутым путям в нервных сетях. Это само по себе, как доказывают результаты ряда исследований, является основой кратковременной памяти. Для некоторых отделов мозга, например для гиппокампа и мозжечка [62], удалось экспериментально показать, что длительная одно­типная стимуляция существенно облегчает ответ нейронов на ее повторное предъявление. О том же, хотя и косвенно, свидетель­ствует факт, что для надежного запоминания необходимо повторе­ние. И тем не менее проблема долговременной памяти еще не решена.

Неясно, какие именно медленно меняющиеся характеристики ней­ронов и нервных сетей являются ее основой. По этому поводу выдвигаются разнообразные, более или менее обоснованные гипотезы, многие из которых не являются взаимоисключающими. Значительное признание получила гипотеза об изменении в ходе повторного функционирования весов синапсов, т.е. количества выделяемого в них за одно возбуждение медиатора и соответственно уровня вызванной деполяризации постсинаптической мембраны. Обнаружены согласую­щиеся с этой гипотезой изменения строения многократно активи­рованных синапсов. Нейрофизиологические данные также подтвержда­ют такое представление [62].

Ясно, однако, что такой механизм не может быть основным в организации долговременной памяти, поскольку нейрон должен обучаться реагировать не только на возбуждение отдельных акти­вированных синапсов, но и узнавать повторно встречающиеся пра­вильно организованные во времени сочетания активности многих синапсов. Тем же недостатком страдает и гипотеза о том, что основным механизмом памяти является миелинизация глиальными клетками аксонов активных нейронов [63]. Миелинизация повы­шает эффективность проведения нервных импульсов. Выход много­кратно возбуждавшихся нейронов как бы отпирается. В этой гипо­тезе несомненно интересным кажется предоставление достаточно активной роли окружающей нейроны глии. Кроме того, гипотеза опирается на данные о морфогенетических процессах в работающем мозге. Глиальные клетки действительно сползаются к активным нейронам, что не может не изменить работы последних.

Многие исследователи связывают с долговременной памятью морфогенетические изменения, наблюдающиеся в цитоплазме длитель­но возбуждавшихся клеток [64, 65]. Например, характер шерохо­ватого эндоплазматического ретикуума в теле гигантского нейрона, выполняющего у рака функцию механорецептора, достаточно точно отражает уровень его возбудимости. Последний можно искусственно менять, последовательно раздражая механорецептор или подавая на него тормозные сигналы. Естественно, что с морфологическими перестройками цитоплазмы сопряжены изменения биохимических па­раметров клетки, что и определяет в конечном итоге общее из­менение возбудимости ее мембраны.

Не будем здесь обсуждать многочисленные гипотезы о том, что долговременная память имеет чисто биохимическую природу. Факти­ческие данные, подтверждающие такой взгляд, скудны и проти­воречивы, а главное, совершенно непонятно, как паттерн актив­ности цитоплазматической мембраны может быть непосредственно перекодирован в структуру макромолекул, и наоборот.

По нашему мнению, все долговременные (длящиеся больше не­скольких минут) изменения тонкой функциональной организации нейрона, т.е. определяющее его дифференцированное отношение к различным паттернам возбуждения входов, должны отражаться и фиксироваться в морфологическом строении нейрона. Соответственно, поскольку многие нейроны остаются во взрослом состоянии функцио­нально пластичными, пластичной, меняющейся в зависимости от обстоятельств, должна оставаться их пространственная структура. Это для многих, по-видимому, неожиданное предположение пред­ставляется достаточно, хотя и косвенно, обоснованным.

Хорошо известно, что живые клетки, которые бы были морфо­логически статичны и совершенно не меняли бы с некоторого момента свою форму, являются редкими исключениями. Практи­чески во всех тканях животных клетки непрерывно, хотя и мед­ленно, движутся или по крайней мере меняют форму. Именно по этим движениям при просмотре цейтрафферного микрокино­фильма живую клетку всегда можно отличить от мертвой.

Обычно особенно активно изменяется форма клеточных отрост­ков. Они удлиняются, проникая в щели между соседними клет­ками, втягиваются назад, ветвятся и сливаются, устанавливают и разрывают временные контакты с соседними клетками. Было бы очень странно, если бы оказалось, что такая клетка, как нейрон, имеющая множество отростков и морфогенетически очень активная в ходе развития мозга, с некоторого момента замирала бы, переставала, хотя бы отчасти, изменять свою форму и струк­туру контактов с окружающими клетками.

И действительно, извлеченные из взрослых животных нейроны в культуре ткани активно перемещаются, не говоря уже о росте и изменениях формы их отростков или "ползании" синаптических контактов по мембране дендритов и сомы [66]. У взрослых живот­ных морфология нервных клеток достоверно меняется при всевоз­можных реактивных состояниях, вызванных неблагоприятными аген­тами [67], а также при радикальной смене характере их афферентации.

К сожалению, длительные прижизненные наблюдения за отдель­ными нейронами с их отростками внутри нервной системы ме­тодически очень сложны. Еще труднее сочетать эти наблюдения с адекватной физиологической стимуляцией и контролем состояния нейронов. С помощью же серий зафиксированных в разное время или в разных условиях гистологических препаратов можно досто­верно судить лишь об очень грубых и массовых изменениях струк­туры клеток. В тех немногих случаях, когда прижизненные наблю­дения все-таки проводились, исследователи неизбежно обнаруживали, что форма нейрона и его отростков не статична.

Гораздо более обильный и убедительный экспериментальный материал стоит за нашими знаниями об изменениях форм нейронов в ходе развития мозга. Показано, что нервные клетки не только меняют свою структуру в ходе развития (это тривиально), но и то, что характер изменений решительным образом зависит от афферен­тации [68].

Какое же отношение эти данные имеют к морфологической дина­мике взрослых нейронов? Дело в том, что у по крайней мере высших позвоночных животных мозг продолжает развиваться, морфо­логически совершенствоваться долгое время после рождения в прямой связи с характером его функциональной активности. Таким об­разом, период активного обучения совпадает у этих животных с периодом активного формирования цитоархитектуры мозга. Проти­вопоставлять в данном случае онтогенетические изменения морфо­логии тем изменениям, которые связаны с осуществлением функции, попросту нельзя. Естественнее думать, что развитие структуры мозга медленно продолжается в течение всей активной жизни и опреде­ляется в значительной мере ее информационным содержанием. Приобретенные знания и умения "запаиваются" непосредственно в структуру системы.

Никаких противоречий с современными представлениями о гене­тическом определении морфогенеза здесь нет. Во-первых, хорошо известно, что генетически, через биохимию, задается не дефини­тивное морфологическое строение животного, а лишь норма реакции его клеток и тканей на окружение и факторы внешней среды — законы морфогенеза. В различных условиях реализация этих за­конов приводит к построению организмов с более или менее различ­ной структурой. Такие "мелочи", как точная форма отдельных клеток и положение контактов между ними, полностью предопределены генетически лишь в исключительных случаях. Элементарные подсчеты показывают, что всей содержащейся в геноме информации не хва­тило бы, чтобы точно задать все детали архитектуры мозга. По-видимому, для большинства областей мозга генетически опре­делено лишь то, каким образом их тонкое строение будет зави­сеть от обстоятельств функционирования. Ряд специалистов счи­тают, что структуры мозга, начинающие функционировать в раннем онтогенезе, своей активностью оказывают существенное влияние на формирование его позднее развивающихся частей [61]. Такой взгляд хорошо согласуется с известными соотношениями между врожденными и приобретенными формами поведения. Приведем еще некоторые аргументы в пользу высказанного предположения.

Во-вторых, по данным современной экспериментальной морфологии нейроны внутри работающего мозга попросту не могут не изменять своей структуры. Дело в том, что локальная деполяризация мембран, связанная с проведением и генерацией нервных импульсов, как хорошо известно, приводит к тому, что в окружающей нейрон среде возникают перепады потенциалов порядка 10 мВ на клетку (10 мкм) и ионные токи плотностью порядка 10 6 А/см2. Такой же порядок величины имеют и медленно меняющиеся потенциалы мозга.

На них активность нейронов влияет опосредовано, через глиальные клетки. Убедительно показано, что электрические поля такой же плотности оказывают сильное, а иногда и организующее влияние на морфогенез [69—71]. Более того, в экспериментах с культурой ткани прямо показано, что такие поля ориентируют рост аксонов по направлению к катоду [72, 73].

На характер нейроморфогенеза существенное влияние оказывают по-видимому, не только электрические поля, но и диффузионные потоки метаболитов.

Уже отмечалось выше, что активность нейрона вызывает миграцию к нему глиальных клеток. Характер его микроокружения меняется, меняется и система его контактов с глиальными клетками. В таких случаях клетки, как правило, отвечают изменениями своей морфологической структуры, особенно перераспределением рецепторов, каналов и ионных насосов на клеточной мембране. Нет никаких оснований считать, что нейроны представляют собой в этом смысле исключение.

Таким образом, морфологическая структура нейрона непосред­ственно определяет характер его функционирования, а оно за до­статочно большое время должно приводить к изменению морфо­логической структуры. Это и служит, по нашему мнению, основой долговременной памяти мозга. Напомним, что для того, чтобы некоторая информация была зафиксирована нашей памятью надолго, активность мозга после получения этой информации не должна прерываться по крайней мере в течение нескольких минут. Именно за такое время в тканях мозга могли бы произойти достаточные структурные изменения.

При этом морфогенетические и нейрофизиологические процессы как бы сливаются воедино. Во всяком случае, выделяется класс процессов, соответствующих "медленному" мышлению, т.е. мышле­нию, идущему через последовательную перестройку отпечатанных в мозгу моделей, а не просто через комбинирование ими в неиз­менном виде. На наличие таких длительно идущих в подсознании процессов и их роль в творчестве указывали многие крупные ученые и литераторы [74].

В рамках предлагаемой гипотезы неожиданно простой ответ могут найти некоторые классические вопросы нейробиологии. Понятно, например, почему нейроны взрослого мозга не должны делиться. При этом терялись бы знания, так как из одного нейрона, форма которого несет следы прошлого опыта, получались бы два с "бес­смысленной" формой.