#image019.jpg
Реальность фантазии Свифта
Джонатан Свифт, наверное, даже не мог подозревать, что в своей книге "Приключения Гулливера" он замечательным образом предвосхитит эксперименты, которые даже сейчас, в конце XX века, с его невиданным научно-техническим прогрессом, кажутся фантастическими. Вспомним эпизод посещения Гулливером академии в Лагадо, где гостеприимные хозяева продемонстрировали гостю новый метод введения информации в человеческий мозг. Он состоял в скармливании школьникам специально подготовленных тетрадей с конспектами. Правда, опыт не всегда, по их словам, удавался, потому что ученики умудрялись выплевывать "знания". Но авторы данного способа были полны оптимизма, считая, что единственной проблемой является изготовление из этих тетрадок особых пилюль памяти.
Каждый из нас с интересом читал страницы увлекательной книги, но не мог даже думать о том, что создание "пилюль памяти" превратится из веселой выдумки в реальность наших дней. Только вместо крошечных страниц убористого текста в них надо будет вводить химические вещества, опять же пептиды - небольшие молекулы, которые могут творить чудеса - облегчать запоминание, стимулировать обучение и даже переносить конкретные навыки.
История открытия этих пептидов сложна и удивительна. Она полна противоречий и сомнений, периодов триумфа и разочарований. Она сплотила многих исследователей в усилиях по обнаружению "чудесных молекул" и, наверное, не меньшее количество ученых поссорила между собой.
Шутки - дело серьезное
В начале 60-х годов многие иностранные журналы сообщили о "сенсации века" - канадский нейрофизиолог М. Мак Коннел установил факт переноса поведенческих навыков от обученных к необученным животным с помощью экстрактов мозговой ткани. Объектом исследования Мак Коннела явились ресничные черви - планарии. Именно на них он со своими сотрудниками решил проверить гипотезы, высказанные одновременно (но независимо друг от друга) в 1948-1950 годах французом А. Монне, австрийцем Г. фон Фоэсетром, американцами А. Катцем и В. Хальстедом о том, что следы прошлого опыта животного кодируются в его макромолекулах.
Мак Коннел остановил свой выбор на планариях не случайно. Эти черви успешно поддаются выработке условных рефлексов, быстро регенерируют при перерезке и обладают тесными связями между клетками их пищеварительного тракта (способными к включению нерасщепленных гипотетических информационных молекул) и нейронами.
Черви, плавающие в маленьких бассейнах, подвергались воздействию периодических вспышек света с последующими ударами тока. Под действием тока черви сокращались. Вскоре вырабатывался условный рефлекс - планарии начинали сокращаться без ударов тока только в ответ на вспышки света. Учеба закончилась. "Грамотных" планарий разрезали пополам, и оказалось, что после регенерации обеих половин животных их обучение описанному условному рефлексу происходило в три раза быстрее, чем обучение новичков. Еще более удивительны результаты экспериментов, в которых "ученых" червей измельчали и скармливали необученным. "Полакомившись", планарии-каннибалы приобретали условный рефлекс съеденных ими сородичей.
Не успели специалисты разных стран, ошеломленные сообщением Мак Коннела, взяться за дальнейшее развитие исследований по изучению механизмов "переноса памяти", как их постигло разочарование: воспроизведение результатов описанных опытов достигалось далеко не всегда, а сам Мак Коннел (неизвестно по каким причинам) заявил, что его статья была первоапрельской шуткой!
Однако не все ученые доверчивы, шутить тоже можно по-разному, и если вспомнить народную мудрость, свидетельствующую о том, что "в каждой шутке есть доля правды", то в нашем случае, как вы сейчас убедитесь, эта доля достаточно велика.
Московский физиолог О. Крылов провел следующий опыт. Три ветви крестообразного бассейна-лабиринта были затемнены, а одна оставалась светлой. Планарим, в силу их природных особенностей, облюбовали темные отсеки, но, получая там удары током, они, естественно, пытались скрыться от последующих ударов в светлом отсеке. Постепенно они "поняли", что лучше находиться при неприятном свете, чем подвергаться ударам тока. Повторив процедуру Мак Коннела, О. Крылов установил передачу навыка обученных червей необученным.
Теперь уже было не до шуток. Данные подтвердились. Объяснение этим фактам напрашивалось такое: в процессе обучения в нервных клетках накапливалось какое-то вещество, которое "запоминало" навык и переносило его другому животному.
Круг ученых, занимавшихся поиском химических факторов памяти, ширился с каждым годом. От планарий решили перейти к более высоким по своей организации живым существам, например, к золотым рыбкам…
Сказки и действительность
В пушкинской сказке рыбка-волшебница, одаривавшая старика всем, что он пожелает, в конце концов рассердилась и оставила его ни с чем. В нашем рассказе - наоборот, золотые рыбки выполняли любые желания экспериментаторов: они плавали вверх животом, подплывали к любимой красной и нелюбимой зеленой кормушкам, учились различать запахи хинина, глюкозы и уксусной кислоты с предпочтением какого-то из них. И все эти приобретенные навыки переносились с экстрактами мозговой ткани обученных животных к необученным. Наступила эра триумфа! В 1965 году сразу четыре группы исследователей из США, Дании и ЧССР сообщили, что внутрибрюшинное введение крысам и мышам мозговых экстрактов, взятых от обученных животных, значительно облегчало и ускоряло выработку тех же навыков у необученных. Интересно, что в ходе опытов, например связанных с обдуванием крыс воздухом, к которому они привыкали, было показано, что факторы переноса сохраняют свою активность и при воздействии ими на животных другого типа. Так, экстракты мозга, взятые у крыс, привыкших к обдуванию, при введении их мышам "приучали" последних безразлично относиться к этой процедуре.
Интересные исследования провели грузинские ученые Р. Рижинашвили и Г. Марсагишвили на новорожденных цыплятах. У них особенно ярко выражена импринтинговая (от английского imprinting - запечатление) форма обучения. Она возможна у цыплят только в строго определенном периоде: в течение первых 36 часов после их вылупления. В основе ее лежит биологическое свойство цыплят считать своей матерью то движущееся существо, которое они увидят за это время. В нормальных условиях ею, естественно, будет курица. А в опытах исследователей из Грузии роль наседки выполняли шары: красный и синий. Ученые разбили цыплят на две группы: одну приучили следовать за красным шаром, другую за синим. И что оказалось? Новые цыплята, которым внутрибрюшинно вводили экстракты от птенцов, привыкших к красному шару, неотступно начинали бегать за ним, игнорируя синий, и… наоборот.
Подобных экспериментов было проведено множество. В качестве еще одного убедительного примера можно сослаться на опыт, описываемый В. Дергачевым. В лабиринте одни крысы приучались пить только из правой поилки, другие - только из левой. Затем в лабиринт помещались необученные крысы, которые попеременно получали воду то из правой поилки, то из левой и поэтому бегали по левому и правому коридору с приблизительно равной частотой. Через сутки после внутрибрюшинного введения им гомогената мозга крыс, получавших воду только из правой поилки или только из левой, у крыс возникало предпочтение к той поилке, из которой пили воду крысы-доноры. В ряде наблюдений совпадение в выборе поилок у обученных и необученных крыс достигало 90-100 процентов.
Продолжать опыты, усовершенствовать их, по-существу, стало бессмысленным. Необходимо теперь было выделить и расшифровать химические соединения, в которых заключалась передаваемая информация. В 1966 году группа Дж. Унгара из Техасского медицинского центра в Хьюстоне (США) начала трудные, кропотливые поиски конкретных "пилюль памяти". Они оказались успешными.
…Опять пептиды
Потратив шесть лет упорной работы, Дж. Унгар и его группа сообщили в 1972 году в английском журнале "Nature" ("Природа") о первом успехе: из мозга крыс, обученных бояться темного отсека камеры, было выделено "вещество памяти". Расшифровка его химической структуры показала, что это пептид с маленьким молекулярным весом, цепочка которого состоит всего из 14 аминокислот. Его назвали скотофобином (в переводе с греческого - боязнь темноты). Скотофобин в очень низких дозах (от 10 до 300 нанограммов) при введении его в организм животных специфически индуцировал у них страх перед затемненным пространством.
Окрыленный успехом, Унгар выдвинул тезис "один пептид - один акт поведения". Под этим девизом он со своими сотрудниками стал заниматься поиском других пептидов памяти. Искал… и нашел.
Выработав у 600 крыс привыкание к звуку электрического звонка, группа Унгара выделила и расшифровала вторую чудесную молекулу - пептид, названный амелитином (в переводе с греческого - безразличный). Подобно скотофобину, амелитин при его введении в очень малых дозах вызывал у необученных крыс отсутствие каких бы то ни было ответных реакций на звонок.
Далее - более. Из мозга золотых рыбок, приученных к определенной окраске стенок аквариума, выделили еще два пептида - хромодиопсины, а в головном мозге крыс обнаруживали пептид - катабатмофобии, сообщающий другим животным определенные двигательно-оборонительные навыки. Позднее установили отсутствие видовой специфичности у найденных пептидов - крысиный скотофобин отпугивал от темноты не только мышей, но и золотых рыбок.
#image020.jpg
Из мозга золотых рыбок, приученных к определенной окраске стенок аквариума, выделили еще два пептида - хромодиопсины, а в головном мозге крыс обнаруживали пептид - катабатмофобии, сообщающий другим животным определенные двигательно-оборонительные навыки
Справедливости ради следует сказать, что не всегда с выделенными веществами прямо передавалась та или иная форма поведения (хотя и такое нередко бывало). Иногда они просто ускоряли обучение, что тоже весьма немаловажно.
Дж. Унгар считал (и, видимо, это наиболее реальная точка зрения из всех имеющихся на этот счет), что "пептиды памяти" действуют как стимуляторы, усиливая рост и размножение отростков нервных клеток. В результате усиленного ветвления устанавливаются и более многочисленные связи между нейронами и тем самым образуются соответствующие ансамбли клеток, хранящие память об определенном жизненном опыте животного. При введении этих веществ в организм необученного животного у него в мозге создаются клеточные сообщества, тождественные тем, которые были у опытного зверька-донора. Они-то и обеспечивают описанные избирательные реакции.
Казалось, после этих работ начнется эра выделения все новых и новых пептидов памяти, появится возможность их искусственного синтеза. А вслед за этим откроются широчайшие возможности целенаправленного управления памятью, лечения ее различных нарушений. Действительно, пептиды памяти продолжали выделять, научились их искусственно синтезировать, но вот дальше все оказалось не так просто. Эффект искусственных препаратов оказался менее выраженным, чем у их естественных аналогов, непосредственно выделенных из мозга.
У Унгара появились оппоненты его теории, пытавшиеся затормозить развитие чрезвычайно перспективного направления. И им на определенное время это удалось сделать. Помог злой рок: Джордж Унгар - основоположник теоретического и экспериментального обоснования идеи химического переноса памяти - скончался. Но настоящий ученый воспитал достойных учеников - они продолжили его дело.
Преданные ученики
Диана Десидерио, ученица Джорджа Унгара, итальянка по происхождению - молодая обаятельная женщина. Познакомившись с ней и будучи очарованным ее молодостью, красотой и какой-то неутомимой жаждой познания, профессор предложил ей заняться вместе с ним поиском гормонов памяти. Долго уговаривать Диану не пришлось, она, в свою очередь, была поражена захватывающим сюжетом идеи и личностью самого исследователя.
В лаборатории Дж. Унгара работали практически круглые сутки. Все сотрудники, воодушевленные идеей поиска вещества памяти (а она действительно была заманчивой), трудились с утра до поздней ночи. Однако необходимо было не только "работать руками", но и осмысливать, обсуждать полученные результаты. Общеизвестно удивление Э. Резерфорда, постоянно застававшего одного из своих сотрудников за проведением опытов. "Когда же вы думаете, молодой человек?" - спросил великий физик своего ученика. Так вот, думали в лаборатории Унгара вечерами по четвергам. И если сам шеф был головой, разумом этих раздумий, то душой их, несомненно, была Диана Десидерио.
В один из таких четвергов, провожая ее домой, профессор с увлечением рассказывал об опытах провинциального французского врача М. Дакса, впервые установившего, что кровоизлияние в левое полушарие головного мозга всегда влечет за собой потерю речи. Эти опыты легли в основу разработки одной из самых интересных проблем нейрофизиологии - проблемы асимметрии мозга. Сейчас твердо установлено, что центры речи и мышления находятся в левом полушарии, а художественное, творческое восприятие мира, эмоциональная сфера контролируется правым полушарием.
Женщины по своей природе более художественные натуры, чем мужичны, и ассоциации у них тоже возникают не всегда обычно. Сама Диана, вспоминая свои встречи с Унгаром, рассказывала, что именно в тот зимний вечер ей впервые пришла идея проверить наличие в головном мозге пептидных факторов, ответственных за асимметрию тех или иных функций.
После смерти своего учителя, продолжая работать, Д. Десидерио решила тем самым подтвердить результаты предшествующих работ Унгара. Это был ее долг перед Унгаром, открывшим для нее мир, полный загадок и головокружительных исканий.
Ранее многочисленными работами было показано, что распределение медиаторов в ткани головного мозга неодинаково. Например, в левой половине мозга больше дофамина и ацетилхолина, а в правой - серотонина и норадреналина. Д. Десидерио, предположив, что может существовать и асимметрия пептидергических систем, вызывала у животных асимметрию тонуса задних конечностей путем повреждения передней дольки мозжечка на какой-либо стороне, а затем предприняла попытку отыскать пептид данного вида памяти. Ей это удалось. Она обнаружила, что в головном мозге крыс с асимметрией задних конечностей появляется пептидный фактор, значительно укорачивающий время, необходимое для возник-новения асимметрии у другого животного, оперированного подобным образом. В дальнейшем Д. Десидерио со своей группой установила, что данный пептид и сам вызывает асимметрию у неоперированных животных при нанесении его на заднюю поверхность спинного мозга. Таким образом, Диана Десидерио реабилитировала Дж. Унгара и развеяла тень сомнения над результатами его пионерских исследований.
Дальнейшие эксперименты, проведенные в Ленинградском институте экспериментальной медицины АМН СССР под руководством профессора Г. Вартаняна, позволили подтвердить и дополнить данные, полученные группой Десидерио. Советские ученые установили, что в спинномозговой жидкости больных людей после компенсации одностороннего паралича появляется пептидный фактор, снимающий позиционную асимметрию у экспериментальных животных! Еще одно неопровержимое подтверждение возможности химической передачи памяти.
Работа продолжалась. Группа Десидерио сумела выделить и расшифровать более десятка пептидов, обеспечивающих перенос разнообразных навыков. Традиционные четверги превратились в ежегодные симпозиумы, на которые съезжаются последователи этого направления. У Дж. Унгара оказались достойные ученики. Их преданность науке и своему учителю получила высокое признание специалистов различных стран.
История с пептидами памяти началась, как вы помните, немногим более 25 лет назад. А сделано невероятно много. Периоды успехов сменялись периодами неудач, но настойчивые исследователи шли и шли вперед. Их тернистый путь продолжается. Пожелаем им успеха и простимся с ними для того, чтобы пойти по параллельной дороге. По ней идут их коллеги, изучающие возможность переноса памяти не с помощью особых специальных факторов, а через молекулы (или их фрагменты) известных гипофизарных и гипоталамических гормонов.
В стране тюльпанов
Голландию недаром зовут страной тюльпанов. Разно-цветные ковры этих дивных цветов устилают площади, скверы, парки Амстердама и других городов этой страны. К нашему рассказу они имеют прямое отношение, потому что, как оказалось, бутоны их способны хранить намять о своем развитии.
На особых сортах королевских тюльпанов, цветы которых развиваются из симметричных семяпочек, провели эксперименты, позволившие установить, что в биохимических механизмах памяти растений участвуют вещества, подобные (по своей активности и биологическим эффектам) гормонам животных.
События, о которых сейчас пойдет речь, тоже развивались в Голландии. Ученые из Амстердамского университета М. Апплезвейг и Ф. Баудри, занимаясь изучением физиологических свойств гипофизарного АКТГ (адренокортикотропного гормона), еще в 1955 году обнаружили, что, помимо своего основного действия - усиления синтеза кортикостероидов (гормонов коры надпочечников), он влияет на процессы обучения. Исследователи установили, что удаление гипофиза резко снижало у животных способность к выработке условного рефлекса. Вначале они предположили, что такое явление может быть обусловлено недостатком многих гормонов гипофиза. Однако дополнительные опыты показали, что именно АКТГ повинен в этом. Введение его животным с удаленным гипофизом полностью восстанавливало их способность к обучению. Дополнительным подтверждением послужил и тот факт, что инъекции АКТГ крысам с неповрежденным гипофизом тоже стимулировали выработку условного рефлекса. Описанные работы явились основополагающими для развития целого научного направления по изучению гормонов гипофиза как регуляторов памяти и поведения.
Продолжая успешно начатые исследования, голландские специалисты установили чрезвычайно интересный факт. Оказалось, что молекула АКТГ неравнозначна по характеру биологического действия своих фрагментов. По своей химической структуре АКТГ - пептид, состоящий из 39 аминокислотных остатков. Так вот, основную функцию АКТГ - стимуляцию выработки гормонов корой надпочечников - несет участок, занимающий в молекуле АКТГ место с 4 по 10 аминокислотные остатки (АКТГ4-10). АКТГ15-24 вообще не обладает гормональным эффектом, но зато он отвечает за связывание гормона с рецепторами тканей, то есть создает условия для реализации биологической активности гормона. А вот влиянием на память и обучение обладает маленький фрагмент АКТГ4-7. Возник вопрос: может быть, влияиие АКТГ на обучение реализуется не им самим, а через активацию коры надпочечников? Проверили - нет. Надпочечники здесь ни при чем. У животных с удаленными надпочечниками АКТГ стимулировал процессы обучения так же, как и у контрольных крыс. Д. де Вида и В. Гиспена, соотечественников Апплезвейга и Баудри. заинтересовали другие гормоны - вазопрессин и окситоцин. Эти вещества, известные еще в первой половине XX века, являются антагонистами. Вазопрессин в малых дозах задерживает выделение воды из организма, а в больших вызывает сокращение кровеносных сосудов, способствуя движению крови по ним. Окситоцин угнетает эффекты вазопрессина и, кроме того, усиливает выделение молока грудными железами и стимулирует во время родов сокращение мускулатуры матки. Как нередко бывает в науке (и мы об этом уже говорили), факт влияния вазопрессина на память был установлен случайно. Де Вид и Гиспен занимались изучением несахарного диабета - болезни, возникающей при недостаточной выработке вазопрессина. Нехватка вазопрессина ведет к усилению выделения воды, что способствует накоплению сахара в организме и развитию соответствующих патологических явлений. Для изучения несахарного диабета была выведена специальная линия крыс, у которых в результате хромосомных нарушений не синтезировался вазопрессин. Проводя основные исследования, ученые вдруг заметили, что у таких крыс условные реакции вырабатываются гораздо медленнее и угасают значительно быстрее, чем у животных с нормальным уровнем синтеза вазопрессина.
Заинтересовавшись этим, решили посмотреть, что произойдет при введении таким крысам экзогенного вазопрессина. Результат оказался впечатляющим - животные обучались так же хорошо, как нормальные крысы. Сделали эксперимент "от противного" - нормальным крысам ввели в мозг сыворотку, содержащую антитела к вазопрессину. Связанный и, следовательно, инактивированный в результате такой процедуры гормон снижал способность крыс к обучению.
Итак, было установлено, что АКТГ и вазопрессин стимулируют память и обучение. Факт требовал объяснения: каков механизм действия фрагментов АКТГ и вазопрессина на эти процессы? Мнения, высказываемые учеными, можно свести к двум точкам зрения. Первая - фрагменты АКТГ и вазопрессин обостряют внимание, улучшают восприятие окружающей обстановки, усиливают влечение к обучению. Сторонники другой гипотезы считают, что гипоталамо-гипофизарные гормоны действуют после восприятия, влияют на переход запечатленного в состояние долговременной памяти.
#image021.jpg
Окситоцин - антагонист вазопрессина и АКТГ
Сотрудники МГУ имени М. В. Ломоносова А. Каменский и С. Титов установили, что между предложенными гипотезами нет явных противоречий. Их исследования показали, что фрагменты АКТГ и вазопрессин взаимодействуют с клетками многих структур мозга, изменяют обмен нейромедиаторов, увеличивают интенсивность синтеза белков, улучшают нервно-мышечную передачу, замедляют наступление утомления. Кроме того, в мозге существуют особые группы клеток, чувствительные к фрагментам АКТГ. В опытах с мечеными фрагментами АКТГ было обнаружено, что в структурах промежуточного мозга таламусе и гнппокампе, происходит избирательное накопление введенного извне пептида, имеющего радиоактивную метку. И это не случайно. Именно с таламусом нейрофизиологи связывают обработку информации, поступающей от органов чувств в центральную нервную систему, а в гиппокампе осуществляются сложные биохимические процессы, лежащие в основе обучения.
Окситоцин - антагонист вазопрессина и АКТГ. Он угнетает процессы запоминания, что подтверждается экспериментально и клинически. При сотрясении и других травмах головного мозга у больных наступает амнезия (потеря памяти). Они не могут вспомнить события, предшествующие травме. При этом в спинномозговой жидкости находят понижение концентрации вазопрессина и увеличение содержания окситоцина.
Установленные эффекты гипоталамических и гипофи-зарных гормонов уже находят свое применение в медицинской практике. Еще в 1970 году венгерский психоневролог Е. Эндреци описал уменьшение выраженности депрессии у больных при введении им АКТГ 1-10. Позднее в его и других клиниках было установлено, что применение малых доз АКТГ 4-10 усиливает внимание, улучшает использование информации, ускоряет адаптационные реакции у психиатрических больных.
В зарубежных и отечественных клиниках испытывалось действие небольших доз вазопрессина у различных категорий больных. В ряде случаев отмечалось определенное восстановление памяти у пациентов после черепно-мозговых травм, улучшалось состояние больных шизофренией, страдавших нарушением реакции на внешние раздражители, безразличием и неконтактностью.
Ленинградские врачи В. Медведев, Г. Акимов и В. Бахарев в 1980-1981 годах провели на себе любопытные эксперименты. Они закапывали в нос 0,5 миллиграмма АКТГ4-7 и через 45 минут проводили психофизиологическое обследование с применением специальных тестов на запоминание, усвоение, анализ поступившей информации. Разумеется, будучи честными исследователями, они вели и контрольные опыты с введением в нос физиологического раствора. При этом испытуемый не знал, что ему вводили. Оказалось, что исследуемый гормон улучшал кратковременную и ассоциативную память, пространственное восприятие, повышал устойчивость внимания к внешним "шумам", увеличивая объем оперативной памяти. Крайне интересно то, что максимальный эффект наблюдался у лиц с исходно плохой памятью.
Есть все основания надеяться, что дальнейшие углубленные исследования в этом направлении окажутся полезными и в теоретическом и в практическом плане - помогут глубже понять тонкие механизмы деятельности головного мозга и внесут свой вклад в разработку новых эффективных психо- и нейротропных лекарственных препаратов.