Движемся дальше. Изучение памяти в Национальном институте здоровья и создание собственной лаборатории

В Университете Калифорнии в Сан‑ Диего я шесть лет изучала нейроанатомию и поведенческие подходы к исследованию связей между ключевыми областями мозга в медиальной височной доле. Изучала я и результаты поражения этих областей. Безусловно, мои исследования были очень важными. Но все же это было далеко не то же самое, что наблюдать своими глазами процессы, происходившие в мозгу при формировании новых воспоминаний. Именно этим мне хотелось заниматься дальше: освоить новые подходы и фиксировать схемы электрической активности клеток мозга животных в тот момент, когда они выполняют задания на запоминание. Мне хотелось смотреть на клетки и видеть, что происходит в гиппокампе, когда животное узнает или осваивает что‑ то новое. Для этого я устроилась работать научным сотрудником в лабораторию Роберта Дезимона в Национальном институте здоровья.

Эта лаборатория входила в состав более крупной лаборатории Морта Мишкина, того самого нейробиолога, который опубликовал в свое время данные о результатах поражения гиппокампа и мозжечковой миндалины у обезьян и о котором я впервые услышала во Франции. Работая в Национальном институте здоровья следующие четыре с половиной года, я училась регистрировать активность отдельных клеток мозга животных и небольших групп таких клеток в процессе выполнения заданий на запоминание. Такой подход называется поведенческой нейропсихологией. Это мощный инструмент, поскольку вы можете наблюдать, как электрическая активность мозга соотносится с поведением животного. Кроме того, он позволяет вам понять, как конкретные клетки мозга отзываются на то или иное поведенческое задание. Согласитесь, это совсем не то, что изучать последствия повреждения мозга, как в случае с Г. М. Конечно, изучение травм и их последствий иногда переворачивает наши представления о функциях мозга, но такие исследования просто по природе своей могут быть только косвенными. Вы изучаете отсутствие некой функции, которая существовала до травмы. В поведенческой нейропсихологии, наоборот, вы начинаете понимать, как нормальный мозг обычно реагирует на некое задание.

Важно отметить, что в мозге нет болевых рецепторов. То есть микроэлектроды, которые мы используем для записи сигналов, не вызывают у подопытных животных боли. Зато они позволяют нам регистрировать короткие всплески электрической активности (так называемые потенциалы действия, или пиковые потенциалы), которые возникают, когда животное усваивает или вспоминает нечто новое. Я занималась в основном тем, что учила животных играть в видеоигры с обучением и запоминанием, а затем записывала активность отдельных клеток. Я пыталась разобраться, как мозг сообщает о разных аспектах задачи и что происходит с рисунком активности мозга, когда он что‑ то вспоминает или забывает. Я сосредоточилась на одной из областей коры мозга в срединной височной доле – энторинальной коре – и описывала схемы нейронной деятельности в этой области мозга при выполнении животными заданий на запоминание. Это исследование было единственным в своем роде: никто больше не изучал таким образом энториальную кору. Но я понимала: многое в отношении свойств других важных областей срединной височной доли еще остается неисследованным. Именно этим я хотела заняться в собственной лаборатории.

Четыре года, проведенные в Национальном институте здоровья, были очень ценными и интенсивными, ведь именно тогда я всесторонне освоила поведенческую нейрофизиологию. Основав в 1998 году собственную нейробиологическую лабораторию, я в полной мере воспользовалась приобретенными навыками. С появлением этой лаборатории в моей научной карьере началось самое интересное. К тому моменту я уже десять лет занималась исследованием памяти. Я испытывала невероятное возбуждение от того, что могла теперь разработать собственную исследовательскую программу и разобраться, что же происходит в гиппокампе при формировании новых воспоминаний. Мое желание узнать это зародилось при первом знакомстве с описанием пациента Г. М. Он был способен оценивать окружающее в настоящий момент, но, в отличие от всех нас, не мог удерживать эту информацию дольше, чем его внимание было на ней сосредоточено. Мы теперь знали, что способность удерживать информацию в памяти обеспечивается гиппокампом и окружающими его корковыми областями. Но мы совершенно не представляли, что делают эти клетки для формирования нового воспоминания. Именно этим вопросом я хотела заняться в своей лаборатории.

Первое, что мне нужно было решить в качестве главы лаборатории: какого рода информацию будут запоминать подопытные животные. Требовалось нечто относительно простое, то, что животные могли делать без труда. Но эти задания должны были стать непосильными для животных с поврежденным гиппокампом и окружающих его структурами. Я выбрала следующее задание: животное должно было соотносить определенные визуальные подсказки (к примеру, изображение собаки, дома или дерева) с определенными целями вверху, внизу, слева или справа на компьютерном мониторе. За это ему доставалось вознаграждение. Эта форма памяти, известная как ассоциативная память, представляет собой разновидность декларативной памяти (то есть эта информация может быть осознанно заучена и осознанно же вызвана в памяти). Существовали также надежные свидетельства, что поражение гиппокампа и/или окружающих его структур мозга нарушает способность к усвоению подобных ассоциаций «рисунок – мишень».

Я начала учить животных усваивать ежедневно по несколько новых ассоциаций. Когда они хорошо овладели этим навыком, я ввела в их мозг тонкие электроды, чтобы записывать электрическую активность в процессе обучения.

Наконец‑ то! Мне предстояло заглянуть в мозг и увидеть, что происходит в гиппокампе при усвоении новой информации.

Почему никто раньше не делал подобных опытов? Одна из причин – в том, что научить животных усваивать новые ассоциации очень трудно. Но оказалось, что я выбрала удачную задачу: животные были в состоянии усваивать за один сеанс по несколько новых ассоциаций. Именно в этом мы нуждались, чтобы начать поиск механизма, который «регистрирует» новые ассоциации в гиппокампе.

Регистрация активности отдельных клеток мозга напоминает рыбалку. Для начала вы устраиваетесь в подходящей части водоема (или мозга), где обитает крупная рыба (или клетки мозга), а затем ждете. Я записывала электрическую активность при помощи очень тонкого микроэлектрода, который на пути к гиппокампу проходил мимо сотен или даже тысяч клеток в других отделах мозга. При прохождении электрода я записывала показатели активности клеток. Их реакция регистрировалась в виде слабых щелчков, напоминавших шорохи эфира при настройке радиоприемника. Моей целью было узнать, связана ли схема срабатываний конкретной клетки мозга с тем, что животное усвоило новую ассоциацию между картинкой и мишенью. Но у меня не было гарантий. Бывали дни, когда с помощью нашего электрода я выслушивала множество клеток, но все они практически ничего не делали. Они издавали только «белый шум» без всякого ритма и системы. Однако в другие дни мне везло, и удавалось поймать отличную крупную рыбу в виде клетки, которая вела себя интересно. К примеру, эта клетка срабатывала только при показе определенной картинки. Или же она «щелкала» раз за разом во время интервала между показом картинки и обращением животного к одной из мишеней.

Я продолжала «ловить рыбу» в гиппокампе в надежде найти что‑ то интересное, и через несколько месяцев работы наконец‑ то начала проявляться некая система. Я заметила: в начале испытания, когда животное еще не запоминало никаких ассоциаций, клетка, активность которой мы регистрировали, почти не срабатывала или срабатывала редко. Но затем эта клетка усиливала активность и ближе к концу испытания, когда ассоциации успевали закрепиться в памяти, срабатывала гораздо чаще. Сразу я не обратила внимания на эту особенность, но когда мы дополнительно проанализировали полученные данные, закономерность стала очевидной.

Действительно, эти клетки почти или совсем не реагировали на задание в начале обучающего сеанса (когда ассоциации еще не сформировались). Но по мере того, как животное усваивало очередную ассоциацию, определенные клетки резко увеличивали активность – они удваивали или даже утраивали первоначальную частоту. Причем увеличение частоты происходило при усвоении только определенных ассоциаций. Это позволяло предположить, что в гиппокампе есть группы клеток, которые своей повышенной активностью сигнализируют об усвоении новых ассоциаций. Во время эксперимента я прислушивалась к щелканью прибора и слышала в этих звуках рождение нового воспоминания! Никто никогда не описывал обучение в гиппокампе таким образом. Мы наблюдали, как клетки гиппокампа кодируют новые, только что усвоенные ассоциации. А поскольку мы знали, что повреждение этой области мозга снижает способность к созданию ассоциаций, можно было предположить: такая схема активности мозга – основа процесса усвоения новых ассоциаций.

Полученные результаты были важны не только для меня и моих коллег‑ исследователей, но и для нейробиологии в целом. Наш эксперимент стал одной из первых демонстраций пластичности мозга. Эту пластичность мы наблюдали в реальном времени, и она была непосредственно связана с изменением поведения – в данном случае с усвоением новых ассоциаций. Профессор Даймонд в свое время показала, что мозг в среднем содержит больше синапсов, если крысу выращивают в обогащенной среде. Но в тех исследованиях не регистрировалось поведение в ходе обучения и формирования воспоминаний. Априори считалось, что если мозг увеличивается, то это хорошо для поведения и успеха. Если мы сумеем разобраться в этих функциях мозга, то тогда, наверное, сможем в перспективе искусственно воспроизвести эти функции. Подобное может понадобиться, если мозг сам не справится с задачей из‑ за неврологических проблем. Иными словами, наши результаты показали, как работают клетки нормального гиппокампа при формировании новых воспоминаний. Очень важно, что эти результаты стали первыми шагами к разработке методов лечения дефицита ассоциативной или событийной памяти. Этот дефицит возникает при болезни Альцгеймера, травмах мозга и естественном старении. Прежде, чем исправлять то, что выходит из строя при этих неврологических заболеваниях, мы должны понять, как нормальный мозг формирует новые воспоминания.