В поисках памяти. Возникновение новой науки о человеческой психике

Отследив поступление протеинкиназы А в ядро и обнаружив в нем CREB-белки, мы прошли по пути внутриклеточных реакций от синапса до ядра. Теперь нам предстояло пойти в обратном направлении. Нам с Келси нужно было выяснить, чем синапс сенсорного нейрона, обрабатываемый серотонином и претерпевающий долговременные структурные изменения, отличается от необработанных синапсов того же нейрона. Мы это сделали в культуре клеток с помощью полученной нами новой экспериментальной системы.

Мы выращивали отдельный сенсорный нейрон с разветвленным аксоном, образовывавшим синаптические связи с двумя разными мотонейронами. Затем мы имитировали поведенческое обучение, как и раньше, вводя в область синапсов серотонин, но при этом обрабатывая только синапсы, связывающие сенсорный нейрон с одним из двух моторных. Однократное введение серотонина, как и ожидалось, приводило к кратковременному усилению связи только в этих синапсах. Но и пятикратное введение серотонина вызывало долговременное усиление связи и отрастание новых синаптических окончаний только в тех синапсах, которые мы обрабатывали. Результат был удивителен тем, что для долговременного усиления связей и отрастания новых окончаний требуется активация генов CREB-белком, которая происходит в ядре клетки и должна, казалось бы, действовать на все ее синапсы. Когда Келси блокировала работу CREB-белка в ядре, это подавляло усиление связи и рост новых окончаний в области обрабатываемых синапсов (рис. 19–2).

19–2. Экспериментальная система для изучения роли серотонина в синаптических изменениях. Сенсорный нейрон (обозначенный CH на фото вверху) с разветвленным аксоном образует синапсы с двумя мотонейронами (МН). Только на один из этих синапсов воздействуют серотонином. В результате только в этом синапсе происходят кратковременные и долговременные изменения. (Фото любезно предоставила Келси Мартин).

Открытие продемонстрировало нам одно важное свойство вычислительных способностей нервной системы. Оно показало, что, хотя нейрон может образовывать тысячу или больше синаптических связей с разными клетками-мишенями, отдельные синапсы могут видоизменяться независимо при формировании как кратковременной, так и долговременной памяти. Независимость долговременной деятельности синапсов дает нейрону необычайную вычислительную пластичность.

Но чем обеспечивается эта поразительная избирательность? Мы рассмотрели два возможных ответа: что нейрон направляет информационную РНК и белки только к тем синапсам, которые маркированы для формирования долговременной памяти, и что информационная РНК и белки поступают ко всем синапсам нейрона, но только маркированные синапсы могут использовать их для отращивания новых окончаний. Начали мы со второй гипотезы, потому что ее было проще проверить.

Что же позволяет осуществлять эту «маркировку для роста»? Келси установила, что в маркированном синапсе должны происходить две вещи. Первая — просто активация протеинкиназы А. Если в области синапса не активируется протеинкиназа А, никакого усиления связи вообще не происходит. Вторая — активация механизма, управляющего локальным синтезом белков. Это было совершенно неожиданное открытие, позволившее по-новому взглянуть на одну замечательную область клеточной нейробиологии, которую до того недооценивали и поэтому не обращали на нее особого внимания. В начале восьмидесятых годов Освальд Стьюард, теперь работающий в Калифорнийском университете в Ирвайне, обнаружил: несмотря на то что в подавляющем большинстве случаев синтез белков в нейронах происходит в теле клетки, некоторые белки синтезируются локально, непосредственно в синапсах.

Наше новое открытие указывало на то, что одна из функций локального синтеза белков состоит в поддержании долговременного усиления синаптических связей. Когда мы подавляли локальный синтез белка в области определенного синапса, процесс долговременного усиления все же запускался, и в этой области начинался рост новых окончаний с использованием белков, поступающих от тела клетки. Однако этот рост не поддерживался и через день обращался вспять. Таким образом, белков, синтезируемых в теле клетки и поступающих к окончаниям, достаточно для запускания синаптического роста, но для его поддержания необходимы белки, синтезируемые локально (рис. 19–3).