Моим детям, что неудивительно, и раньше было трудно, и теперь по-прежнему трудно понять (и тем более оправдать) мой бесконечный и нередко переходящий всякие границы интерес к науке. Мне потребовались собственные сознательные усилия и помощь Дениз и моего психоаналитика, чтобы стать реалистичнее, научиться распределять свое время и находить место для забот и радостей, связанных с Минуш и Полом, а также с их детьми.
Благодаря тому что я стал проводить больше времени дома с Дениз и Полом, у меня также появилось больше времени на раздумья о том, как подойти к исследованию обучения у аплизии. Мы с Олденом Спенсером нашли очень мало различий между базовыми свойствами тех нейронов, которые участвуют в сохранении памяти, и тех, которые не участвуют. Эти данные говорили в пользу представления о том, что память обеспечивается не свойствами нейронов как таковых, а природой связей между нейронами и тем, как они обрабатывают получаемую сенсорную информацию. Это привело меня к мысли, что память может возникать в нейронной цепи, регулирующей поведение, за счет изменений синаптической силы, вызываемых сенсорной стимуляцией определенного характера.
Саму идею, что определенного рода изменения в синапсах могут быть важны для обучения, выдвинул еще Кахаль в 1894 году: «Использование психических функций способствует большему развитию протоплазменного аппарата и нервных коллатералей в задействованной части мозга. Тем самым ранее существовавшие связи между группами клеток могут усиливаться за счет умножения ветвей окончаний. <…> Но ранее существовавшие связи могут также усиливаться за счет образования новых коллатералей и <…> разрастаний».
В современном виде эту гипотезу сформулировал в 1948 году польский нейрофизиолог Ежи Конорский [21] , ученик Павлова. Он доказывал, что сенсорный раздражитель может вызывать в нервной системе изменения двух типов. Первый тип, который он называл возбудимостью, возникает вслед за прохождением по проводящему пути одного или нескольких потенциалов действия в ответ на сенсорный раздражитель. Запускание потенциалов действия на какое-то время повышает порог, необходимый для вызывания новых потенциалов действия в этих нейронах (хорошо известное явление, называемое рефрактерным периодом). Второй, более интересный тип изменений, который Конорский назвал пластичностью или пластическими изменениями, приводит, как он писал, к «постоянным функциональным трансформациям <…> в определенных системах нейронов под действием соответствующих стимулов или их сочетаний».
Меня очень увлекла мысль о том, что некоторые нейронные системы обладают высокой приспособляемостью и пластичностью, поэтому в них могут происходить постоянные изменения (возможно, за счет изменения силы синапсов). Эта мысль заставила меня задуматься, как происходят такие изменения. Джон Экклс был увлечен идеей, что синапсы изменяются в ответ на слишком частое использование, но, когда он ее проверил, оказалось, что такие изменения сохраняются недолго. «К сожалению, — писал он, — до настоящего времени не удалось экспериментально показать, что слишком частое использование вызывает длительные изменения синаптической силы». Я думал, что для участия в обучении синапсы должны изменяться надолго, вплоть до того чтобы оставаться в измененном виде на протяжении всей жизни животного. Мне пришло в голову, что, быть может, обучение так удавалось Павлову благодаря тому, что использованные им простые сочетания сенсорных раздражителей естественным образом давали нейронную активность определенного характера, особенно хорошо вызывающего долговременные изменения синаптической передачи. Я проникся этой идеей. Но как мне было ее проверить? Как вызывать активность оптимального характера?
Я решил попытаться стимулировать нейроны аплизии, имитируя такие же сочетания сенсорных раздражителей, как те, что использовал Павлов в своих экспериментах с обучением. Даже если эти сочетания будут вызваны искусственно, полученный характер активности может выявить некоторые долговременные пластические изменения, на которые способны синапсы.
Когда я всерьез задумался об этих вопросах, я понял, что мне понадобится переформулировать теорию Кахаля о том, что обучение видоизменяет силу синаптической связи между нейронами. Кахаль считал обучение единым процессом. Поскольку я был знаком с бихевиористскими работами Павлова и последующими когнитивными исследованиями Бренды Милнер, я осознал, что существует много разных форм обучения, вызываемых различными раздражителями и их сочетаниями, и что из них возникают две совершенно разные формы хранения памяти.
Поэтому я развил идею Кахаля следующим образом.
Я предположил, что разные формы обучения вызывают нейронную активность разного характера и что в зависимости от этого определенным образом изменяется сила синаптических связей. Когда такие изменения сохраняются, происходит и сохранение памяти.
Когда я переформулировал теорию Кахаля в этих терминах, я задумался, как преобразовать поведенческие эксперименты Павлова в нейробиологические. В конце концов, привыкание, сенсибилизация и выработка классических условных рефлексов (три формы обучения, описанные Павловым) по сути представляют собой наборы инструкций того, как должен действовать тот или иной сенсорный раздражитель, отдельно или в сочетании с другим, чтобы обеспечить обучение. Мои нейробиологические исследования нужно было спланировать так, чтобы они позволили определить, будут ли разные сочетания раздражителей, действующих по образцу павловских форм обучения, вызывать разные формы синаптической пластичности.
Например, при привыкании животное, на которое неоднократно действуют слабым или нейтральным сенсорным раздражителем, обучается распознавать этот раздражитель как несущественный и игнорировать его. Когда раздражитель сильный, как при сенсибилизации, животное распознает его как опасный и обучается усиливать защитные рефлексы, готовясь к отдергиванию конечности или бегству. При этом даже совершенно безвредный раздражитель, действующий на животное вскоре после этого, вызывает усиленную защитную реакцию. Когда нейтральный раздражитель сочетается с потенциально опасным, как при выработке классических условных рефлексов, животное обучается реагировать на нейтральный раздражитель как на сигнал опасности.
Я подумал, что у меня должно получиться вызывать в нейронных проводящих путях аплизии активность, сходную по характеру с той, которая возникает у животных в ходе подобного обучения. Тогда я мог бы установить, как меняются синаптические связи в зависимости от сочетания раздражителей, обеспечивающих разные формы обучения. Я называл этот подход нейронными аналогами обучения.
К этой идее меня привел эксперимент, о котором стало известно в то самое время, когда я раздумывал о начале экспериментов с аплизией. В 1961 году Роберт Доути из Мичиганского университета в Энн-Арбор сделал замечательное открытие, связанное с классическими условными рефлексами. Он стимулировал слабым электрическим током участок мозга собаки, управляющий зрением, и отметил, что такая стимуляция вызывает электрическую активность нейронов зрительной коры, но не вызывает никаких движений. Электрическая стимуляция моторной коры, в свою очередь, вызывала движение лапы собаки. После неоднократной стимуляции того и другого в сочетании слабая стимуляция зрительной коры начинала сама по себе вызывать движение лапы. Доути наглядно показал, что формирование классических условных рефлексов в мозгу требует не мотивации, а только сочетания двух раздражителей.