Неизменная память

Общество

Как животные, чей мозг был кардинально изменен, могут вспоминать своих сородичей, травмы и навыки?

Я начал изучать концепцию клеточной памяти – идею о том, что память может храниться вне мозга, во всех клетках тела – после того, как в 2007 году прочитал статью на сайте Reuters под заголовком “Крошечный мозг не помеха для французского госслужащего”. 44-летний француз обратился в больницу с жалобами на легкую слабость в левой ноге. Врачи узнали, что в младенчестве пациенту “установили в голову шунт для отвода гидроцефалии – воды в мозге”. Шунт был удален, когда ему было 14 лет”. Когда они просканировали его мозг, то обнаружили огромную заполненную жидкостью камеру, занимающую большую часть пространства в черепе, оставив лишь тонкий листок настоящей мозговой ткани. Пациент, женатый отец двоих детей, работал государственным служащим, вел нормальную жизнь несмотря на то, что его череп был заполнен спинномозговой жидкостью и имел очень мало мозговой ткани.

К своему удивлению, я обнаружил в медицинской литературе поразительное количество задокументированных случаев взрослых людей, которым в детстве удалили часть мозга, чтобы вылечить постоянную эпилепсию. После гемисферэктомии – когда половина мозга может быть удалена для борьбы с припадками – у большинства детей наблюдалось не только улучшение интеллектуальных способностей и общительности, но и явное сохранение памяти, индивидуальности и чувства юмора. Аналогичным образом, взрослые, перенесшие гемисферэктомию, демонстрируют превосходный долгосрочный контроль над припадками и более высокую трудоспособность после операции.

Если люди, лишенные значительной части мозга, могут нормально или даже относительно нормально функционировать, то, подумал я, должна существовать какая-то резервная система, которая может сработать, когда основная система дает сбой. Следующие шесть лет я посвятил изучению медицинской и научной литературы в поисках доказательств, подтверждающих мою догадку.

Мы давно предполагаем, что одной из основных функций мозга является способность хранить воспоминания, что позволяет животным, включая человека, изменять поведение в свете прошлого опыта. Если бы местом хранения всех воспоминаний действительно был мозг, то для обеспечения долгосрочной стабильности хранимой информации клетки мозга и их цепи должны были бы оставаться стабильными, как книги на вашей книжной полке. Если бы кто-то начал вырывать страницы из этих книг, то не только книги были бы серьезно повреждены, но и вы бы навсегда потеряли их содержимое.

Тем не менее, такие животные, как планарии, которые демонстрируют удивительную способность быстро отращивать новые части тела, включая мозг, ставят нас перед интересным вопросом: как могут сохраняться фиксированные воспоминания, когда тела и даже мозг не могут сохраняться? Животные, которые впадают в спячку и подвергаются массовой обрезке нейронов головного мозга в холодные месяцы, сталкиваются с аналогичной проблемой. Потому что, когда весной они восстанавливают силы и здоровье, многие из ранее усвоенных ими форм поведения возвращаются. То же самое происходит и с метаморфирующими животными, такими как обыкновенная лягушка, которая после развития из личинки превращается в головастика. Гусеницы же проходят пять стадий роста. Память, сформировавшаяся у этих животных в самом раннем эмбриональном состоянии, переживает обширную перестройку их тела, включая мозг, но как?

Благодаря своей способности к регенерации, плоские черви планарии являются одним из даров природы науке. Разделив планарию посередине, вы быстро получите двух маленьких косоглазых червей, смотрящих на вас. Целые черви могут регенерировать из небольшого кусочка взрослого червя в течение нескольких дней. Обезглавливание приводит к развитию двух новых червей. Некоторым биологам удалось разрубить одну планарию на 279 частей. Каждый крошечный кусочек в итоге образовал миниатюрного полноценного червя, который со временем вырос до своего нормального размера – до ¾ дюйма, в зависимости от вида и наличия пищи.

Как им удается совершить такой невероятный подвиг? Несколько лет назад исследователи обнаружили, что постоянная популяция взрослых стволовых клеток (необластов) позволяет этим червям регенерировать любую часть тела после хирургического удаления этой части. Однако, как бы ни были важны стволовые клетки, они не могут объяснить сохранение памяти после того, как у планарии удаляют голову, а на ее месте вырастает новая голова.

Планария – одно из самых простых животных, живущих на Земле, с билатеральной симметрией тела и ориентацией головы. Мозг этих плоских червей имеет двухлопастную структуру с корой из нервных клеток и ядром из нервных волокон, включая те, которые соединяют два полушария. Многие структурные особенности нейронов планарий, включая синапсы, сходны с человеческим мозгом. Таким образом, планарии являются популярным организмом для изучения памяти.

Это было доказательством того, что память у плоских червей не локализована в голове, а распределена по всему телу.

В 1950-х и 60-х годах экспериментальный психолог Джеймс В. Макконнелл и его коллеги из Мичиганского университета проводили исследования с использованием планарий для изучения процессов памяти. В одной из серий экспериментов планарии были обучены реагировать на определенные стимулы, свет и электрический шок. Когда им отрезали голову, и их тело регенерировало новую голову, многие из регенерировавших червей своими реакциями показали, что они помнят, как их учили.

В другой серии экспериментов планарии, обусловливающие ассоциацию светового сигнала с неприятным электрическим ударом, измельчались и скармливались другим планариям. Эти черви-каннибалы научились реагировать на световой раздражитель (отворачиваясь от него) быстрее, чем контрольная группа. Макконнелл интерпретировал это как доказательство того, что память у плоских червей не локализована в голове, а распределена по всему телу животного.

Значительная часть научного сообщества не доверяла этим экспериментам, ссылаясь на проблемы с использованием соответствующих контролей, предвзятость наблюдателей и другие причины. Но в 2013 году группа под руководством биологов Тала Шомрата и Майкла Левина из Университета Тафтса в Массачусетсе опубликовала работу, которая по существу подтвердила выводы Макконнелла и, по некоторым данным, открыла совершенно новую банку с червями.

В работе Шомрата и Левина, меняющей парадигму, сообщается о проведенных ими экспериментах на планариях вида Dugesia japonica. Исследователи воспользовались причудой поведения планарий: как только они привыкают к знакомому месту, они быстрее приспосабливаются к питанию, чем планарии, оказавшиеся в новой среде. Кроме того, черви естественным образом избегают света.

Исследователи поместили одну группу планарий в контейнеры с шероховатым полом, а другую – в чашку Петри с гладким полом. Через несколько дней червей проверили, насколько охотно они будут есть печень в освещенном квадранте на дне чашки с шероховатым дном. Автоматизированное видеослежение и последующий компьютерный анализ движений червей показали, что группа, которая провела время в контейнерах с шероховатым полом, значительно быстрее преодолела отвращение к свету и тратила больше времени на кормление в освещенном пространстве, чем незнакомая группа.

Затем обе группы червей были обезглавлены. Их тела были помещены в помещение с гладким полом, пока их головы регенерировали. Примерно через две недели полностью регенерировавшие сегменты были снова протестированы. Черви, регенерированные из знакомой группы, немного, но не значительно быстрее питались в освещенной части контейнера, что свидетельствует о том, что они сохранили способность распознавать связь между этим типом поверхности и безопасной средой питания.

Однако черви не демонстрировали никакого заученного поведения до того, как у них отрастал мозг. Очевидно, для того чтобы такое поведение проявилось, планарии должны обладать мозгом. Биолог Такеши Иноуэ из Японии выдвинул гипотезу, что новый мозг регенерируется как чистая доска и постепенно запечатлевает следы предыдущей памяти в периферической нервной системе червей (которая была изменена во время фазы обучения). Модифицированная периферическая нервная система переобучает новый мозг за короткое время, и этого достаточно для восстановления памяти.

В своей памятной работе 2013 года Шомрат и Левин предположили, что следы памяти о выученном поведении сохраняются за пределами мозга. Но вместо того, чтобы считать, что это происходит благодаря периферической нервной системе, они полагают, что в этом могут быть задействованы другие механизмы – те, которые подключаются и переподключаются под влиянием опыта. Они указали, что все основные механизмы функционирования нервов, от нейротрансмиттеров до электрических синапсов, существуют во всех клетках и тканях тела, а не только в мозге.

Еще один период, когда мозг претерпевает значительную реорганизацию, — это спячка, состояние бездействия и метаболической депрессии у теплокровных животных, таких как белки, хомяки, ежи, белые медведи и летучие мыши. Спячка обычно наступает в зимние месяцы и характеризуется общим снижением скорости обмена веществ, температуры тела, дыхания и частоты сердечных сокращений. Спячка может длиться несколько дней, недель или месяцев, в зависимости от вида.

Хорошим примером впадающего в спячку млекопитающего является арктическая сухопутная белка. Каждый сентябрь на Аляске, в Канаде и Сибири эти белки уходят в норы, расположенные на глубине более метра под тундрой, сворачиваются в гнезда, построенные из травы, лишайника и шерсти карибу, и начинают впадать в спячку. Температура их тела резко падает, опускаясь ниже точки замерзания воды. Спячка разрушает центральную нервную систему этих животных. Нейроны сокращаются, и тысячи, если не миллионы, жизненно важных связей между клетками мозга ослабевают. Происходит обширная обрезка участков, необходимых для долговременной памяти, таких как гиппокамп. После выздоровления большинство впавших в спячку животных, включая европейскую белку-землеройку, демонстрируют неповрежденную память: узнавание родственников, идентификация знакомых животных по сравнению с незнакомыми, а также запоминание обученных задач.

В австрийском исследовании белок-землероек обучали летом успешно выполнять две задачи: задачу на пространственную память в лабиринте и получение пищи из кормушки. Весной те же задачи были повторены. Группа, находившаяся в спячке, не справилась с обучением так же хорошо, как контрольная группа. С другой стороны, животные успешно различали знакомых и незнакомых особей в своей группе. Неясно, почему животные могли продемонстрировать память в одной сфере, но не в других, хотя авторы предполагают, что это может быть результатом сложности задачи или области мозга, ответственной за воспоминания. Это исследование наглядно демонстрирует сохранение социальных воспоминаний после значительной потери нейронов в мозге во время спячки.

У землероек перед зимой мозг уменьшается на 15,3 процента, а весной увеличивается на 9,3 процента.

Помимо снижения скорости метаболизма, еще одним способом выживания животных во время спячки является избирательный запуск специфического для тканей процесса под названием аутофагия, который означает, что клетки буквально уничтожают сами себя, поэтому ткани, которые не нужны животному во время спячки, удаляются и больше не требуют обслуживания.

Когда весной белки выходят на поверхность после зимней спячки, их внутренности уменьшаются примерно до половины первоначального веса, но сердце остается незатронутым, потому что оно должно продолжать биться, хотя и гораздо медленнее. Но не только кишки и нейроны уменьшаются. Яички тоже уменьшаются. Когда самцы сухопутных белок просыпаются весной, их гонады уменьшаются почти до нуля. Но вздохните с облегчением. Вскоре им удалось их отрастить.

В немецком исследовании альпийских сурков обучали прыгать на две коробки или проходить по трубе. При повторном тестировании после шести месяцев спячки выяснилось, что их способности не пострадали. Ученые, проводившие исследование, пришли к выводу, что спячка не влияет на долгосрочную память альпийских сурков.

Землеройки еще меньше сурков. Несмотря на свои миниатюрные размеры, когда дело доходит до переноса трудностей холодной погоды, они становятся биологическими гигантами. Новое исследование, проведенное Институтом орнитологии Макса Планка в Германии, с помощью рентгеновских снимков показало, что отдельные землеройки в преддверии зимы уменьшили размер своих мозговых оболочек в среднем на 15,3 процента. Затем весной мозговые оболочки частично увеличивались на 9,3 процента. Резкие изменения в размерах черепа и мозга, очевидно, не оказали негативного влияния на их поведение после спячки.

Тем временем ученые из группы сенсорной экологии Института Макса Планка решили изучить, как летучие мыши запоминают информацию. Они обучили летучих мышей находить пищу в одном из трех лабиринтов. После обучения все летучие мыши выполнили задание на 100 процентов правильно. Затем они впали в спячку. Когда они “проснулись”, летучие мыши, которые впали в спячку, показали такие же результаты, как и те, которые не впали. Исследователи пришли к выводу, что летучие мыши пользуются преимуществами пока неизвестного нейропротекторного механизма, предотвращающего потерю памяти в спящем мозге. Биохимические исследования мозга замороженных древесных лягушек выявили различные нейропротекторные факторы, способствующие выживанию тканей. Хотя все эти факторы, вероятно, играют роль в сохранении небольшой коллекции нейронов, которые станут основой для роста новых нейронов после того, как животное “проснется”, я не думаю, что они могут быть ответственны за сохранение сложных воспоминаний.

Как бы вы на это ни посмотрели, все эти результаты говорят о сохранении памяти после спячки.

Воспоминания также выживают после метаморфоза – процесса превращения из младенческой формы в ювенильную, а затем во взрослую. Когда голожаберные насекомые проходят четыре стадии жизни – от яйца до личинки, от личинки до куколки и взрослой особи, – в их мозге происходит обширный нейрогенез, обрезка и гибель клеток. Несмотря на эти радикальные изменения в их центральной нервной системе, воспоминания о более ранних стадиях их существования сохраняются.

Мозг взрослого мотылька содержит около 1 миллиона нервных клеток. Для сравнения, мозг человека насчитывает около 100 миллиардов. Тем не менее, внутри мозга мотылька происходит очень многое. Группа исследователей из Джорджтаунского университета в Вашингтоне изучала процесс обучения у одного из видов мотыльков, называемого табачным роговым червем (Manduca sexta) (рис. 3, ниже).

Исследователи подвергли личинок этого вида воздействию запаха этилацетата (ЭА) в паре с легким электрическим током. Когда взрослым гусеницам, не прошедшим предварительную подготовку в качестве личинок, предложили на выбор свежий воздух или воздух с запахом ЭА (рис. 4, ниже), они не проявили ни влечения, ни отвращения к запаху ЭА. Личинки, подвергнутые только шоковому воздействию, не проявляли ни влечения, ни отвращения к ЕА. Но когда гусениц, как личинок, предварительно ознакомили с запахом перед шоком, 78 процентов из них предпочли свежий воздух вместо ЭА. Ученые говорят, что это первое убедительное доказательство того, что обучение и память сохраняются на поздних стадиях метаморфоза у этого вида.

Юкихиса Мацумото из Университета Хоккайдо в Японии также смог продемонстрировать существование длительной аверсивной памяти у полуметаболического сверчка (Gryllus bimaculatus), который сохранял ассоциацию между запахом и соленой водой в течение 10 недель. Усвоенное предпочтение изменилось, когда их обучили обратному действию через шесть недель после первоначального обучения. Исследователи пришли к выводу, что сверчки способны сохранять обонятельную память практически на всю жизнь и легко переписывать ее в соответствии с опытом. Если бы только люди были настолько умны.

Возникает вопрос: если ассоциативное поведение действительно сохраняется, является ли оно результатом сохранения личиночных нейронов после метаморфоза? Или реорганизация нервной системы насекомых во время метаморфоза настолько драматична, что исключает сохранение хемосенсорной памяти?

Воспоминания обо всех наших переживаниях, хотя и не всегда доступные, сохраняются в нашем воплощенном сознании.

Лягушки, претерпевающие метаморфозы, дают подсказку. Поведенческий психолог Питер Геппер из Университета королевы Белфаста в Северной Ирландии ввел икринкам лягушек одно из двух веществ – апельсин или цитраль (пахучее соединение в цитрусовых). После вылупления головастики предпочитали питаться пищей, содержащей вещество, которому они подвергались, когда были еще икринками. Еще более удивительно, что после метаморфоза головастиков в лягушек, они сохранили приобретенное предпочтение запаха.

Тем временем, работая с личинками древесных лягушек, исследователи из Университета Саскачевана и Университета штата Миссури приучали их к химическим сигналам незнакомых хищников. Когда лягушки достигли взрослого возраста, они с опаской реагировали на те же сигналы. Аналогичным образом, когда яйца кольчатых саламандр подвергались воздействию химических сигналов от хищников, вылупившиеся личинки проявляли пониженную активность и более активное поведение в поисках укрытия. С другой стороны, личинки, подвергшиеся воздействию нейтральных сигналов, не демонстрировали такого поведения. Поскольку эмбриональный опыт является хорошим предсказателем будущих условий, с которыми столкнется организм, из этого следует, что обучение, связанное с воздействием негативных стимулов во время развития, будет адаптивным.

Наконец, исследования других жуков, плодовых мух, муравьев и паразитических ос неоднократно и убедительно демонстрировали, что личиночный опыт обучает поведение взрослых особей. В процессе метаморфоза у животных происходят значительные изменения в форме тела, образе жизни, питании и использовании органов чувств. Является ли личинка тем же животным, что и шумная муха, гусеница тем же, что и красочная бабочка? Являетесь ли вы тем же человеком, которым были, когда родились? Тот же человек, что и при зачатии? В чем-то одинаковый, но в чем-то и очень разный. Примечательно, что, несмотря на изменения, которые претерпевает наше тело с возрастом, воспоминания обо всем пережитом с момента зачатия, хотя и не всегда доступные, сохраняются в нашем воплощенном сознании.

Действительно ли стабильные воспоминания могут сохраняться у животных, включая человека, которые подвергаются массовой потере и перестройке нейронов головного мозга? В этом вопросе я солидарен с Левиным, биологом, который в 2013 году предложил планарий в качестве ключевого развивающегося модельного вида для изучения того, как воспоминания кодируются в биологических тканях и как они выживают. Ответы, когда мы их найдем, вероятно, будут иметь важные последствия для лечения дегенеративных заболеваний мозга, таких как болезнь Альцгеймера, с помощью стволовых клеток. Кажется правдоподобным вывод о том, что память, помимо того, что хранится в мозге, должна быть закодирована и в других клетках и тканях организма. Другими словами, все мы наделены как соматической, так и когнитивной системами памяти, которые взаимно поддерживают друг друга.

В целом, факты свидетельствуют о том, что аспекты интеллекта и сознания, традиционно приписываемые мозгу, имеют и другой источник. Наши воспоминания, наши вкусы, наши жизненные знания, возможно, в такой же степени обязаны воплощенным клеткам и тканям, использующим те же молекулярные механизмы памяти, что и сам мозг. Разум, заключаю я, изменчив и адаптивен, воплощен, но не оскоплен.

По материалам Aeon

Оцените статью
Добавить комментарий