- Запам'ятовуємо з задоволенням
- Чи не електрику, але хімія
- Білок з особливими властивостями
- Впровадитися в контакт
Загадка людської пам'яті - одна з головних наукових проблем XXI століття, причому вирішувати її доведеться спільними зусиллями хіміків, фізиків, біологів, фізіологів, математиків і представників інших наукових дисциплін. І хоча до повного розуміння того, що з нами відбувається, коли ми «запам'ятовуємо», «забуваємо» і «згадуємо знову», ще далеко, важливі відкриття останніх років вказують правильний шлях.
На сьогоднішній день навіть відповідь на базове питання - що собою являє пам'ять в часі і просторі - може складатися в основному з гіпотез і припущень. Якщо говорити про простір, то до сих пір не дуже зрозуміло, як пам'ять організована і де конкретно в мозку розташована. Дані науки дозволяють припустити, що елементи її присутні скрізь, у кожній з областей нашого «сірої речовини». Більш того, одна і та ж, здавалося б, інформація може записуватися в пам'ять в різних місцях.
Наприклад, встановлено, що просторова пам'ять (коли ми запам'ятовуємо певну вперше побачену обстановку - кімнату, вулицю, пейзаж) пов'язана з областю мозку під назвою гіпокамп. Коли ж ми спробуємо дістати з пам'яті цю обстановку, скажімо, десять років потому - то ця пам'ять вже буде залучена з зовсім іншої області. Так, пам'ять може переміщатися всередині мозку, і краще за все ця теза ілюструє експеримент, проведений колись з курчатами. У житті щойно вилупилися курчат грає велику роль імпринтинг - миттєве навчання (а приміщення в пам'ять - це і є навчання). Наприклад, курча бачить великий рухомий предмет і відразу «друкує» в мозку: це мама-курка, треба слідувати за нею. Але якщо через п'ять днів у курчати видалити частину мозку, відповідальну за імпринтинг, то з'ясується, що ... запомненний навик нікуди не подівся. Він перемістився в іншу область, і це доводить, що для безпосередніх результатів навчання є одне сховище, а для тривалого його зберігання - інше.
Запам'ятовуємо з задоволенням
Але ще більш дивно, що такий чіткої послідовності переміщення пам'яті з оперативної в постійну, як це відбувається в комп'ютері, в мозку немає. Робоча пам'ять, яка фіксує безпосередні відчуття, одночасно запускає і інші механізми пам'яті - середньострокову і довгострокову. Але мозок - система енергоємна і тому яка намагається оптимізувати витрачання своїх ресурсів, в тому числі і на пам'ять. Тому природою створена багатоступенева система. Робоча пам'ять швидко формується і настільки ж швидко руйнується - для цього є спеціальний механізм. А ось по-справжньому важливі події записуються для довготривалого зберігання, важливість ж їх підкреслюється емоцією, ставленням до інформації. На рівні фізіології емоція - це включення найпотужніших біохімічних модулирующих систем. Ці системи викидають гормони-медіатори, які змінюють біохімію пам'яті в потрібну сторону. Серед них, наприклад, різноманітні гормони задоволення, назви яких нагадують не стільки про нейрофізіології, скільки про кримінальній хроніці: це морфіни, опіоїди, канабіноїди - тобто що виробляються нашим організмом наркотичні речовини. Зокрема, ендоканнабіноіди генеруються прямо в синапсах - контактах нервових клітин. Вони впливають на ефективність цих контактів і, таким чином, «заохочують» запис тієї чи іншої інформації в пам'ять. Інші речовини з числа гормонів-медіаторів здатні, навпаки, придушити процес переміщення даних з робочої пам'яті в довготривалу.
Механізми емоційного, тобто біохімічного підкріплення пам'яті зараз активно вивчаються. Проблема лише в тому, що лабораторні дослідження подібного роду можна вести тільки на тварин, але чи багато здатна розповісти нам про свої емоції лабораторний щур?
Якщо ми щось зберегли в пам'яті, то часом приходить час цю інформацію згадати, тобто витягти з пам'яті. Але чи правильно це слово «витягти»? Судячи з усього, не дуже. Схоже, що механізми пам'яті не витягують інформацію, а заново генерують її. Інформації немає в цих механізмах, як немає в «залізі» радіоприймача голоси або музики. Але з приймачем все ясно - він обробляє і перетворює приймається на антену електромагнітний сигнал. Що за «сигнал» обробляється при добуванні пам'яті, де і як зберігаються ці дані, сказати поки досить важко. Однак уже зараз відомо, що при згадці пам'ять переписується заново, модифікується, або принаймні це відбувається з деякими видами пам'яті.
Чи не електрику, але хімія
У пошуках відповіді на питання, як можна модифікувати або навіть стерти пам'ять, в останні роки були зроблені важливі відкриття, і з'явився цілий ряд робіт, присвячених «молекулі пам'яті».
Насправді таку молекулу або принаймні якийсь матеріальний носій думки і пам'яті намагалися виділити вже років двісті, але все без особливого успіху. Зрештою нейрофізіологи прийшли до висновку, що нічого специфічного для пам'яті в мозку немає: є 100 млрд нейронів, є 10 квадрильйонів зв'язків між ними і десь там, в цій космічних масштабів мережі одноманітно закодовані і пам'ять, і думки, і поведінку. Були спроби заблокувати окремі хімічні речовини в мозку, і це призводило до зміни в пам'яті, але також і до зміни всієї роботи організму. І лише в 2006 році з'явилися перші роботи про біохімічної системі, яка, схоже, дуже специфічна саме для пам'яті. Її блокада не викликала ніяких змін ні в поведінці, ні в здатності до навчання - тільки втрату частини пам'яті. Наприклад, пам'яті про обстановку, якщо блокатор був введений в гіпокамп. Або про емоційному шоку, якщо блокатор вводився в амігдалу. Виявлена біохімічна система являє собою білок, фермент під назвою протеинкиназа М-Зета, який контролює інші білки.
Одна з головних проблем нейрофізіології - неможливість проводити досліди на людях. Однак навіть у примітивних тварин базові механізми пам'яті схожі з нашими.
Молекула працює в місці синаптического контакту - контакту між нейронами мозку. Тут треба зробити одне важливе відступ і пояснити специфіку цих самих контактів. Мозок часто уподібнюють комп'ютера, і тому багато хто думає, що зв'язку між нейронами, які і створюють все те, що ми називаємо мисленням і пам'яттю, мають чисто електричну природу. Але це не так. Мова синапсів - хімія, тут одні виділяються молекули, як ключ з замком, взаємодіють з іншими молекулами (рецепторами), і лише потім починаються електричні процеси. Від того, скільки конкретних рецепторів буде доставлено по нервовій клітині до місця контакту, залежить ефективність, велика пропускна здатність синапсу.
Білок з особливими властивостями
Протеїнкіназа М-Зета якраз контролює доставку рецепторів по синапси і таким чином збільшує його ефективність. Коли ці молекули включаються в роботу одночасно в десятках тисяч синапсів, відбувається перемаршрутізація сигналів, і загальні властивості якоїсь мережі нейронів змінюються. Все це мало нам говорить про те, яким чином в цій перемаршрутізаціі закодовані зміни в пам'яті, але достовірно відомо одне: якщо протеинкиназу М-Зета заблокувати, пам'ять зітреться, бо ті хімічні зв'язки, які її забезпечують, працювати не будуть. У зновувідкритої «молекули» пам'яті є ряд цікавих особливостей.
По-перше, вона здатна до самовідтворення. Якщо в результаті навчання (тобто отримання нової інформації) в синапсі утворилася якась добавка у вигляді певної кількості протеїнкінази М-Зета, то ця кількість може зберігатися там дуже довгий час, незважаючи на те що ця білкова молекула розкладається за три-чотири дні. Якимось чином молекула мобілізує ресурси клітини і забезпечує синтез і доставку в місце синаптического контакту нових молекул на заміну вибулих.
По-друге, до цікавих особливостей протеїнкінази М-Зета відноситься її блокування. Коли дослідникам знадобилося отримати речовину для експериментів з блокування «молекули» пам'яті, вони просто «прочитали» ділянку її гена, в якому закодований її ж власний пептидний блокатор, і синтезували його. Однак самою клітиною цей блокатор ніколи не виробляється, і з якою метою еволюція залишила в геномі його код - неясно.
Третя важлива особливість молекули полягає в тому, що і вона сама, і її блокатор мають практично ідентичний вигляд для всіх живих істот з нервовою системою. Це свідчить про те, що в особі протеїнкінази М-Зета ми маємо справу з найдавнішим адаптаційним механізмом, на якому побудована в тому числі і людська пам'ять.
Звичайно, протеинкиназа М-Зета - не "молекула пам'яті» в тому сенсі, в якому її сподівалися знайти вчені минулого. Вона не є матеріальним носієм запомненной інформації, але, очевидно, виступає в якості ключового регулятора ефективності зв'язків всередині мозку, ініціює виникнення нових конфігурацій як результату навчання.
Впровадитися в контакт
Зараз експерименти з блокатором протеїнкінази М-Зета мають в деякому сенсі характер «стрілянини по площах». Речовина вводиться в певні ділянки мозку піддослідних тварин за допомогою дуже тонкої голки і вимикає, таким чином, пам'ять відразу у великих функціональних блоках. Межі проникнення блокатора не завжди зрозумілі, так само як і його концентрація в районі ділянки, обраного в якості мети. В результаті далеко не всі експерименти в цій області приносять однозначні результати.
Справжнє розуміння процесів, що відбуваються в пам'яті, може дати робота на рівні окремих синапсів, але для цього необхідна адресна доставка блокатора в контакт між нейронами. На сьогоднішній день це неможливо, але, оскільки таке завдання перед наукою стоїть, рано чи пізно інструменти для її вирішення з'являться. Особливі надії покладаються на оптогенетики. Встановлено, що кліткою, в якій методами генної інженерії вбудована можливість синтезу світлочутливого білка, можна керувати за допомогою лазерного променя. І якщо такі маніпуляції на рівні живих організмів поки не виробляються, щось подібне вже робиться на основі вирощених клітинних культур, і результати дуже вражаючі.
Автор - доктор біологічних наук, член-кореспондент РАН, професор, директор ІВНДіНФ РАН
Стаття «Хімічний ключ пам'яті» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №4, Грудень 2013 ).
Проблема лише в тому, що лабораторні дослідження подібного роду можна вести тільки на тварин, але чи багато здатна розповісти нам про свої емоції лабораторний щур?Але чи правильно це слово «витягти»?
