Лешли и многим другим казалось, что исследовать механизмы сложного обучения невозможно, но изящная простота рефлекса втягивания жабр у моллюска позволила мне и моим коллегам применить экспериментальный подход к ряду вопросов философии и психоанализа, которые и привели меня в биологию. Я находил это одновременно поразительным и курьезным.
Наша третья публикация в журнале Science за 1970 год завершалась следующими замечаниями: «…Эти данные указывают на то, что и в привыкании, и в снятии привыкания (сенсибилизации) задействованы изменения функциональной эффективности уже существующих возбуждающих связей. Таким образом, по крайней мере в простых случаях <…> способность к видоизменениям поведения представляется непосредственно встроенной в нейронный механизм этого поведенческого рефлекса. И наконец, эти исследования подтверждают предположение <…> что анализ схемы проводящих путей, лежащих в основе определенной поведенческой реакции, является необходимым условием изучения видоизменений этой реакции. Более того, мы обнаружили, что, когда схема известна, изучение видоизменений данной поведенческой реакции сильно упрощается. Таким образом, хотя наше исследование относится лишь к довольно простым и кратковременным видоизменениям поведения, аналогичный подход, вероятно, может быть применен и к более сложным, а также к более продолжительным формам обучения».
Придерживаясь этого крайне редукционистского подхода, исследуя очень простой поведенческий рефлекс и простые формы обучения, определяя клетка за клеткой нейронную цепь, обеспечивающую этот рефлекс, а затем сосредоточив свое внимание на том, где в пределах цепи происходят изменения, мне удалось достичь той цели, которую в 1961 году в заявке на грант Национальных институтов здоровья я наметил для своей работы в перспективе. Мне удалось «поймать условно-рефлекторную реакцию в наименьшей возможной популяции нейронов» — в связях, возникающих между двумя клетками.
Итак, редукционистский подход позволил нам открыть несколько принципов клеточной биологии обучения и памяти. Во-первых, мы установили, что изменения синаптической силы, лежащие в основе обучения, связанного с поведенческой реакцией, могут быть достаточно сильными, чтобы перенастроить нейронную сеть и изменить ее способность к обработке информации. Например, один конкретный нейрон аплизии взаимодействует с восемью разными мотонейронами: пятью осуществляющими движение жабр и тремя вызывающими сокращение железы, которая производит чернильную жидкость и тем самым выделение этой жидкости. До обучения активация этого сенсорного нейрона вызывала умеренное возбуждение пяти иннервирующих жабры мотонейронов, из-за чего в них запускались потенциалы действия, и жабры сокращались. Активация этого сенсорного нейрона вызывала также возбуждение трех мотонейронов, иннервирующих чернильную железу, но слишком слабое, чтобы запустить потенциал действия и привести к выделению чернильной жидкости. Поэтому до обучения действие раздражителя на сифон вызывало реакцию втягивания жабр, но не реакцию выделения чернильной жидкости. Однако после сенсибилизации синаптическая связь между сенсорным нейроном и восемью мотонейронами усиливается, в результате чего в трех мотонейронах, иннервирующих чернильную железу, тоже запускаются потенциалы действия. Значит, после такого обучения раздражение сифона приводит как к выделению чернильной жидкости, так и к более сильному втягиванию жабр.
Во-вторых, в соответствии с переформулированной теорией Кахаля и результатами моих предшествующих работ с аналогами обучения мы обнаружили, что набор синаптических связей между двумя нейронами может видоизменяться двумя противоположными способами (усиливаться или ослабляться) под действием разных форм обучения. При этом привыкание ослабляет синапсы, а сенсибилизация и классический условный рефлекс их усиливают. Эти длительные изменения силы синаптических связей представляют собой клеточные механизмы, лежащие в основе обучения и кратковременной памяти. Кроме того, поскольку изменения происходят в нескольких участках нейронной цепи, обеспечивающей рефлекс втягивания жабр, память распределяется и записывается во всей цепи, а не в каком-то единственном особом ее участке.
В-третьих, мы установили, что во всех этих трех формах обучения продолжительность хранения кратковременной памяти зависит от длительности периода, в течение которого синапс остается ослабленным или усиленным.
В-четвертых, мы начинали понимать, что сила определенного химического синапса может изменяться одним из пары способов в зависимости от того, какая из двух нейронных цепей активируется в ходе обучения — основная, то есть собственная цепь безусловного рефлекса, или модуляторная. У аплизии основная цепь состоит из сенсорных нейронов, иннервирующих сифон, интернейронов и мотонейронов, управляющих рефлексом втягивания жабр, а модуляторная цепь — из сенсорных нейронов, иннервирующих заднюю часть тела, удаленную и от сифона, и от жабр. Когда активируются нейроны основной цепи, происходят гомосинаптические изменения силы связей. Это наблюдается при привыкании: в сенсорных нейронах и мотонейронах, управляющих рефлексом втягивания жабр, определенным образом неоднократно запускаются потенциалы действия, осуществляя непосредственную реакцию на неоднократное действие сенсорного раздражителя. Гетеросинаптические изменения силы связей происходят при активации нейронов модуляторной, а не основной цепи. Это наблюдается при сенсибилизации: действие сильного раздражителя на заднюю часть тела вызывает активацию модуляторной цепи, которая управляет силой синаптической передачи нейронов основной цепи.
Впоследствии мы установили, что в выработке классического условного рефлекса задействованы как гомосинаптические, так и гетеросинаптические изменения. Более того, результаты наших исследований, посвященных связи сенсибилизации и выработки классического условного рефлекса, указывают на то, что обучение может осуществляться за счет сочетания различных элементарных форм синаптической пластичности с образованием новых, более сложных форм — примерно так, как из букв складываются слова.
Теперь я начал понимать, что преобладание химических синапсов над электрическими в нервной системе животных может быть связано с принципиальным преимуществом химической передачи над электрической — ее способностью обеспечивать разнообразные формы обучения и хранения памяти.
В свете этих данных стало ясно, что обеспечивающие рефлекс втягивания жабр синаптические связи между сенсорными нейронами и мотонейронами, возникшими в ходе эволюции для обеспечения разных форм обучения, намного легче изменить, чем синаптические связи, не играющие в обучении никакой роли. Наши исследования красноречиво показали, что в нейронных цепях, видоизменяемых в ходе обучения, синапсы могут подвергаться существенным и длительным изменениям силы, даже если обучение было довольно непродолжительным.
Одно из фундаментальных свойств памяти состоит в том, что она формируется поэтапно. Кратковременная память сохраняется минуты, в то время как долговременная — много дней и даже дольше. Судя по экспериментам с поведением, кратковременная память естественным образом постепенно переходит в долговременную, и происходит это благодаря повторению. Повторение — действительно мать учения.