13–2. Простое и сложное поведение у аплизии. Выделение пурпурной жидкости (вверху) — сравнительно простая форма поведения, которой управляют клетки единственного (абдоминального) ганглия нервной системы моллюска. Половое поведение намного сложнее, и в нем задействованы нейроны нескольких ганглиев. Аплизии — гермафродиты, т. е. могут играть роль как самцов, так и самок, и нередко образуют копулятивные цепи, такие как показанная на рисунке (внизу). (Перепечатано из книги: E R. Kandel, Cellular Basis of Behavior, W. H. Freeman and Company, 1976).

Анализируя и обдумывая эти формы поведения, мы осознали, что все они слишком сложны, а в некоторых из них задействовано больше одного ганглия нервной системы моллюска. Нам же нужно было найти очень простую форму поведения, которой управляли бы клетки только одного ганглия. Поэтому мы сосредоточились на поведении, управляемом абдоминальным ганглием — тем самым, с которым я работал в Париже и который был мне лучше всего знаком. Абдоминальный ганглий, содержащий только две тысячи нервных клеток, управляет сокращениями сердца, дыханием, откладкой яиц, выделением пурпур, ной жидкости, слизи и рефлекторным втягиванием жабр и сифона. В 1968 году мы остановились на простейшей форме поведения — рефлексе втягивания жабр.

Жабры — это наружный орган, служащий аплизии для дыхания. Он расположен на спинной стороне тела в полости, которую называют мантийной, и прикрыт кожистым выростом — мантийным выступом, на конце которого расположен сифон — мясистая трубка, по ней из мантийной полости выводятся вода и отходы жизнедеятельности (рис. 13–3А). Если слегка прикоснуться к сифону, у аплизии немедленно срабатывает защитный механизм втягивания как сифона, так и жабр в мантийную полость (рис. 13–3Б). Очевидный смысл рефлекса состоит в защите жабр, жизненно важного и ранимого органа, от возможных повреждений.

13–3. Простейшая форма поведения аплизии — рефлекс втягивания жабр.

Мы с Ирвингом обнаружили, что даже этот очень простой рефлекс видоизменяется в результате двух форм обучения — привыкания и сенсибилизации, каждая из которых обеспечивается краткосрочной памятью, действующей в течение нескольких минут. Первое слабое прикосновение к сифону вызывает быстрое втягивание жабр. Последующие слабые прикосновения вызывают привыкание: по мере того как животное обучается распознавать этот раздражитель как несущественный, рефлекс втягивания постепенно ослабевает. Сенсибилизацию мы производили, действуя сильным электрическим ударом на переднюю или заднюю часть тела. Животное распознавало этот сильный раздражитель как неприятный, после чего в ответ на такое же слабое прикосновение к сифону демонстрировало усиленный рефлекс втягивания жабр (рис. 13–3В).

В 1971 году к нам присоединился Том Кэрью — одаренный, энергичный и общительный психофизиолог из Калифорнийского университета в Риверсайде, который положил начало исследованиям долговременной памяти. Кэрью был в полном восторге от нашей группы по нейробиологии и поведению. Он вскоре подружился и с Джимми Шварцем, и с Олденом Спенсером, и со мной. Он как сухая губка впитал культуру нашей группы — не только научную ее часть, но и наши увлечения искусством, музыкой и научными сплетнями. Как мы с ним говорили друг другу, «когда в таких разговорах принимают участие другие — это сплетни, но если так поступаем мы — это история науки».

Мы с Кэрью установили, что долговременная память у аплизии, как и у людей, требует неоднократно повторяющегося опыта с периодами отдыха в промежутках. Повторение — мать учения, даже у моллюсков. Поэтому действующий сорок раз подряд раздражитель вызывает привыкание, ослабляющее рефлекс втягивания жабр только на один день, а раздражитель, действующий ежедневно по десять раз в течение четырех дней, вызывает привыкание, которое не проходит несколько недель. Чередование обучения с периодами отдыха улучшает долговременную память аплизии.

Мы с Купферманом и Кэрью продемонстрировали, что этот простой рефлекс отвечает за две неассоциативные формы обучения, в каждой из которых может быть задействована как кратковременная, так и долговременная память. В 1983 году нам удалось получить у аплизии надежный классический условный рефлекс на основе безусловного рефлекса втягивания жабр. Это был серьезный шаг вперед, потому что он показывал, что рефлекс втягивания жабр может видоизменяться и в результате ассоциативного обучения.

К 1985 году, после пятнадцати с лишним лет напряженной работы, нам наконец удалось доказать, что простая форма поведения аплизии может видоизменяться под действием разных форм обучения. Это достижение укрепило мои надежды на то, что некоторые формы обучения действительно эволюционно консервативны и работают даже в простых нервных цепях, обеспечивающих очень простое поведение. Более того, теперь я предвидел возможность пойти дальше вопроса о механизмах, обеспечивающих обучение и хранение памяти в центральной нервной системе, перейдя к вопросу о том, как различные формы обучения и памяти связаны друг с другом на клеточном уровне, а именно — как кратковременная память преобразуется в нервной системе в долговременную память.

Исследования поведения, связанные с рефлексом втягивания жабр, были не единственным предметом наших интересов в тот период. Более того, они подготовили основу для решения другой, главной для нас задачи — изобрести методы, которые позволили бы исследовать, что происходит в нервной системе животного в процессе обучения. Поэтому после того, как мы решили сосредоточить свои исследования поведения на рефлексе втягивания жабр у аплизии, нам необходимо было картировать нейронные цепи этого рефлекса и узнать, как абдоминальный ганглий управляет его работой.

Задача выявления этих нейронных цепей поднимала еще одну концептуальную проблему. Насколько точны и специализированы связи между клетками в нейронных цепях? В начале шестидесятых годов некоторые последователи Карла Лешли доказывали, что свойства различных нейронов коры головного мозга столь похожи, что все эти нейроны фактически идентичны, а их связи случайны и примерно равноценны.

Другие ученые, особенно исследователи нервной системы беспозвоночных, отстаивали представление о том, что многие, а возможно и все, нейроны уникальны. Эту идею впервые выдвинул немецкий биолог Рихард Гольдшмидт в 1908 году. Гольдшмидт изучал один из ганглиев круглого червя аскариды — примитивного кишечного паразита. Он обнаружил, что почти у всех организмов этого вида в данном ганглии содержалось одинаковое число клеток, занимающих в точности одно и то же положение. В написанном в тот год и ставшем теперь знаменитым письме в Германское зоологическое общество он отмечал «почти пугающее постоянство элементов нервной системы: в центре находятся 162 ганглиозные клетки, ни одной больше и ни одной меньше».

Анжелика Арванитаки-Халазонитис знала о работах Гольдшмидта по аскариде и в пятидесятых годах изучила абдоминальный ганглий аплизии в поисках индивидуально опознаваемых клеток. Она обнаружила несколько таких клеток, которые можно было опознать у каждого организма, судя по их положению, характеру окрашивания пигментами и размеру. Одной из таких клеток была R₂, с которой я работал, когда исследовал аналоги обучения под руководством Ладислава Тауца. Вначале в Гарварде, а затем в Нью-Йоркском университете я продолжил эту работу и к 1967 году отметил, как в свое время Гольдшмидт и Арванитаки-Халазонитис, что могу без труда опознавать большинство хорошо заметных клеток этого ганглия (рис. 13–4).

13–4. Идентификация отдельных нейронов в абдоминальном ганглии аплизии. Клетка отчетливо видна на микрофотографии (слева) абдоминального ганглия аплизии. Она достигает 1 мм в диаметре. На рисунке (справа) показано расположение клетки R₂ и шести мотонейронов, управляющих движением жабр. Когда были идентифицированы отдельные нейроны, появилась возможность картировать их связи.