Развитие мозга

В период внутриутробного развития нейроны мозга человека образуются со скоростью сотен тысяч в минуту. Одна из проблем нейробиологии состоит в том, каким образом нейроны находят свое место и формируют надлежащие связи

Общие изменения мозга в процессе развития эмбриона и плода были описаны уже в прошлом столетии, однако до сих пор еще относительно мало известно о лежащих в их основе клеточных процессах, тех процессах, которые обеспечивают формирование отдельных частей мозга и их связей друг с другом. Ясно одно — это, что нервная система берет начало от пласта клеток на дорсальной поверхности развивающегося эмбриона (от нервной пластинки), что эта ткань складывается затем в удлиненную полую структуру (нервную трубку) и что на головном конце трубки выделяются три выпуклости, соответствующие трем главным частям мозга — переднему, среднему и заднему мозгу.

На электронной микрофотографии, полученной П. Ракичем из Медицинской школы Йельского университета, запечатлен момент миграции молодого нейрона у плода обезьяны от места появления в глубине мозжечка к месту назначения вблизи наружной поверхности развивающегося мозга. Мигрирующий нейрон - это более широкая из двух диагональных полос, проходящих через всю микрофотографию от левого верхнего угла до правого нижнего; вытянутое темное образование в верхней части полосы-ядро нервной клетки. Более светлая, узкая полоса, тянущаяся вдоль нижней границы нейрона,-это удлиненный отросток глиальной клетки, которая служит опорной структурой и ориентиром для мигрирующего нейрона. Нейрон движется через плотный нейропиль, или «войлок» из нервных волокон, расходящихся в разных направлениях. (Большинство округлых структур на фотографии являются поперечными срезами аксонов, расположенных более или менее перпендикулярно к плоскости снимка.) Хотя мигрирующий нейрон таким образом контактирует с тысячами других клеточных отростков, он остается тесно связанным именно с глиальной клеткой на протяжении всей ее длины.

Четырьмя парами рисунков, которые показывают внешний вид развивающегося зародыша (вверху) и соответствующие поперечные срезы на уровне середины будущего спинного мозга (внизу), иллюстрируется происхождение нервной системы из эктодермы, или наружного слоя клеток, зародыша человека на 3-й и 4-й неделе после зачатия. Центральная нервная система берет начало от нервной пластинки - плоского слоя эктодермальных клеток на дорсальной поверхности зародыша. Пластинка впоследствии замыкается в полую структуру, называемую нервной трубкой. Головной конец центрального канала расширяется, образуя желудочки, или полости, головного мозга. Периферическая нервная система формируется в основном из клеток нервного гребня и из волокон двигательных нервов, выходящих из нижних участков каждого сегмента будущего спинного мозга.

Однако не на этих изменениях внешней формы развивающегося мозга сконцентрировано внимание нейробиологов развития в последние годы. Ставятся более интересные вопросы. Как, к примеру, возникают различные составные элементы крупных частей нервной системы, как они занимают определенное положение внутри мозга, каким образом происходит дифференцировка нейронов и окружающих их глиальных клеток, как устанавливают связи друг с другом нейроны различных участков мозга? Несмотря на многочисленные попытки исследований в этих направлениях, еще невозможно дать полное описание развития какой-либо части мозга, и тем более мозга в целом. Определяя, однако, какие события являются главными в развитии нервной системы, можно рассчитывать на успешное решение этих кардинальных вопросов.

В развитии любой части мозга можно выделить восемь основных стадий. Последовательно это:
1) индукция нервной пластинки,
2) локализованное деление клеток в различных участках,
3) миграция клеток из зоны, в которой они возникли, к местам, где они останутся окончательно,
4) агрегация клеток, приводящая к формированию идентифицируемых участков мозга,
5) дифференцировка незрелых нейронов,
6) формирование связей с другими нейронами,
7) избирательная гибель некоторых клеток и
8) ликвидация одних ранее сформированных связей и стабилизация других.

В этой серии рисунков показано развитие мозга человека (вид сбоку) на эмбриональных стадиях и у плода. Рисунки основной серии (внизу) все приведены в одном масштабе. Первые пять эмбриональных стадий (вверху) проиллюстрированы увеличенными рисунками, чтобы яснее показать детали. Три основные части головного мозга (передний, средний и задний мозг) образуются как выпуклости головного конца нервной трубки. У людей полушария головного мозга со временем нарастают на средний и задний мозг, а также частично закрывают мозжечок. Характерные для головного мозга извилины и борозды не обнаруживаются до середины периода внутриутробного развития. Если предположить, что полностью развитый головной мозг содержит порядка 100 миллиардов нейронов и что после рождения фактически не добавляется новых нейронов, то можно вычислить, что в период развития нейроны должны образовываться со скоростью более чем 250000 в минуту.

Процесс, посредством которого часть клеток эктодермы, или наружного слоя развивающегося зародыша, превращается в специализированную ткань, в ткань, из которой развивается головной и спинной мозг, называется нейральной индукцией. С двадцатых годов нашего столетия известно, что определяющим событием для нейральной индукции является взаимодействие эктодермы и части лежащего под ней слоя ткани, называемого мезодермой. Природа этого взаимодействия остается неясной, но есть основания полагать, что оно включает в себя специфический перенос веществ из мезодермы в эктодерму и что в результате этого переноса недифференцированная ткань эктодермы оказывается необратимо вовлеченной в формирование нервной ткани. Ясно также, что последующее взаимодействие различных участков эктодермы и мезодермы приводит к пространственному детерминированию главных частей будущего головного и спинного мозга. Передняя часть мезодермы, входя в контакт с эктодермой, специфически индуцирует структуры переднего мозга, следующая за ней часть обеспечивает формирование структур среднего и заднего мозга, и, наконец, задняя ее часть, расположенная под эктодермой, ответственна за происходящее позднее формирование спинного мозга.

Многие детали процесса пространственной детерминации остаются неясными. Эксперименты с дезагрегированными эктодермальными и мезодермальными клетками из зародышей соответствующих стадий позволили предположить, что важным фактором для этого процесса является создание определенных относительных концентраций двух агентов, которые, вероятно, представляют собою низкомолекулярные белки. Один из них, нейрализующий агент, как бы подготавливает эктодерму к будущему превращению в нервные структуры, а другой — мезодермализующий агент, — присутствуя в варьирующих концентрациях, определяет региональные различия внутри эктодермы.

В 30-е и 40-е годы были сделаны многочисленные попытки выделить предполагаемые индуцирующие агенты, однако сегодня стало ясно, что эта работа была преждевременной. Только в последние два десятилетия существенно обогатились наши знания о природе генной индукции в целом, но и сейчас осталось далеко не ясным, являются ли механизмы индукции, обнаруженные у микроорганизмов, теми же, что и в животных клетках. Существует и другая причина того, почему проблема нейральной индукции трудно поддается решению. Единственной экспериментальной системой, доступной для изучения нейральной индукции, является эктодерма, выделенная у зародыша соответствующей стадии, при этом,, поскольку эктодерма способна отвечать на индуктивный стимул только в течение короткого периода развития, исследователям приходится работать с предельно малым количеством ткани. Нужно отдать дань изобретательности и экспериментальному искусству тех, кто взялся за эту проблему и благодаря кому уже достигнут такой большой прогресс.

По мере того как основные части нервной системы детерминируются, их потенции становятся все более и более ограниченными. К примеру, головной конец нервной пластинки представляет собой изначально переднемозговое - глазное поле, из которого впоследствии разовьются как передний мозг, так и нервные структуры глаза. Если на этой стадии удалить небольшой кусочек эктодермальной ткани, дефект будет быстро устранен за счет размножения соседних клеток, и развитие как переднего мозга, так и глаза пройдет совершенно нормально. Если ту же самую операцию произвести на несколько более поздней стадии, останется неустранимый дефект либо переднего мозга, либо глаза, в зависимости от локализации удаленного кусочка. Иными словами, на более поздней стадии удается с определенностью выделить поле переднего мозга, которое образует дефинитивные структуры переднего мозга, и глазное поле, которое образует только нервные структуры глаза.

На еще более поздних стадиях разграничиваются специализированные области внутри самого переднемозгового поля. С применением различных приемов маркирования клеток стало возможно начертить «карты судьбы» клеток, которые с достаточной точностью предсказывают окончательную локализацию клеток каждого участка раннего переднемозгового поля (см. рисунок на стр. 119). Факторы, приводящие к прогрессивному выделению все более и более мелких единиц, дающих начало специализированным частям мозга, неизвестны, но есть основания предполагать, что, когда мы будем больше знать о клеточной дифференцировке вообще, проблема эта прояснится.

19 и зрительной корой. (Ч.Стивенс см в папке «психологам –интер.)

Долговременное привыкание выявляется при сравнении синаптических связей между сенсорным нейроном (С. Н.) и мотонейроном L7 у нетренированной аплизии (контроль, А) и у аплизии, тренированной на долговременное привыкание (Б). У контрольных животных за импульсом в сенсорном нейроне следует крупный возбудительный синаптический ответ мотонейрона. У тренированных животных синаптическую связь почти невозможно обнаружить.

Исследуя аплизию, мы с Кастеллучи, нашли, что снижение амплитуды синаптического потенциала действия по мере привыкания идет параллелъно уменьшению числа выделяющихся химических квантов. Напротив, величина миниатюрного постсинаптического потенциала не менялась, что указывало на неизменность чувствительности постсинаптического рецептора. Эти данные говорят о том, что кратковременное привыкание локализуется в пресинаптических окончаниях сенсорных нейронов и что механизм привыкания состоит в постепенном снижении количества медиатора, высвобождаемого окончаниями сенсорного нейрона на центральных клетках-мишенях. Опыты на раке, проведенные Р. Цукером (R. Zucker) из Калифорнийского университета в Беркли и Ф. Красне (F. Krasne) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, а также опыты на кошке, поставленные П. Фейрелом (P. Farel) и Р. Томпсоном (R. Thompson) из Калифорнийского университета в Эр-вине, показывают, что этот механизм может быть универсальным. От чего зависит уменьшение числа квантов, высвобождаемых каждым потенциалом действия? Это число в значительной степени определяется концентрацией свободного кальция в пресинаптическом окончании. Кальций является одним из трех ионов, участвующих в генерации каждого потенциала действия в окончании. Деполяризующий эффект потенциала действия создается главным образом притоком ионов натрия в окончание, но он требует также меньшего и более позднего притока ионов кальция. Реполяризационное действие противоположного знака производится преимущественно выходом ионов калия, а приток кальция нужен для выделения медиатора. Как полагают, кальций придает синаптическим пузырькам способность связываться с пресинаптической мембраной в местах выделения медиатора. Это связывание является критическим этапом, предваряющим выход медиатора из пузырьков (процесс называется экзоцитозом). Возможно поэтому, что количество кальция, приходящее в окончания с каждым потенциалом действия, не фиксировано, а меняется и модулируется привыканием.

Наилучшим способом изучать изменения притока кальция в окончания была бы прямая регистрация активности в окончаниях. Нам не удалось осуществить ее из-за очень малых размеров окончаний. Но поскольку свойства кальциевых каналов в окончаниях сходны с их свойствами в теле клетки, один из наших дипломников М. Клейн (М. Klein) занялся исследованием изменений кальциевого тока в теле клетки, которые сопровождают синаптическую депрессию.

Кальциевый ток возникает и медленно нарастает во время потенциала действия; его обычно перекрывает калиевый ток. Для того чтобы демаскировать первый из них, мы действовали на ганглий тетраэтиламмонием (ТЭА) - веществом, которое в некоторой степени избирательно блокирует поздний калиевый ток. Блокируя реполяризующее действие калиевого тока, ТЭА незначительно удлиняет потенциал действия. Удлинение это в большой мере обусловлено беспрепятственным действием кальциевого тока. Вызываемое ТЭА удлинение потенциала действия служит хорошим критерием изменения кальциевого тока.

Затем мы определяли выделение медиатора из окончаний сенсорных нейронов по величине синаптического потенциала в мотонейроне и измеряли одновременно регистрируемые изменения кальциевого тока по критерию длительности потенциала действия. Мы нашли, что многократная стимуляция сенсорного нейрона с частотой, вызывающей привыкание, приводила к постепенному укорочению кальциевого компонента потенциала действия, что происходило параллельно уменьшению выхода медиатора. Спонтанное восстановление синаптического потенциала и поведения сопровождалось усилением кальциевого тока.

То, что мы до сих пор узнали о механизмах кратковременного привыкания, показывает, что этот тип обучения связан с модуляцией силы ранее сформированной синаптической связи. Сила связи определяется количеством выделяемого медиатора, которое в свою очередь зависит от того, насколько потенциал действия в пресинаптическом окончании активирует кальциевый ток. Поэтому сохранение кратковременного привыкания основано на том, что депрессия кальциевого тока в пресинаптическом окончании не прекращается в течение минут и часов.

Каковы пределы этого изменения? Насколько может измениться эффективность данного синапса в результате обучения, и как долго сохраняются такие изменения? Выше я указывал, что многократные тренировочные опыты могут привести к полной депрессии синаптических связей между сенсорными и моторными клетками. Удерживается ли такое состояние? Может ли долговременное привыкание привести к полной и длительной инактивации ранее активного синапса?

В связи с этими вопросами исследователи обучения давно ведут споры о соотношении кратковременной и долговременной памяти. Наиболее принято представление, что эти два вида памяти связаны с разными процессами. Однако оно основано на косвенных данных.

Совместно с Кастеллучи и Кэрью мы предприняли более прямую проверку этой гипотезы путем сравнения эффективности связей, образоманных популяцией сенсорных нейронов с идентифицированным мотонейроном жабры L7, в четырех группах аплизий: у нетренированных животных, служивших контролем, и в группах, исследованных соответственно через сутки, неделю и три недели после выработки долговременного привыкания. Было обнаружено, что у контрольных животных около 90% сенсорных нейронов имели чрезвычайно эффективные связи с L7, тогда как у животных, исследованных через сутки и через неделю после долговременного привыкания, их число составляло 30%. Даже через три недели только у 60% клеток можно было обнаружить связи с L7. Таким образом, в результате простого обучения ранее эффективные синаптические связи становятся неактивными и остаются в таком состоянии более недели.

Следовательно, в то время как кратковременное привыкание сопровождается кратким ослаблением эффективности синапса, долговременное привыкание вызывает более продолжительное и глубокое изменение, которое приводит к функциональному нарушению большинства ранее эффективных связей. Эти данные интересны по трем причинам: 1) они служат прямым доказательством того, что специальный случай долговременной памяти может быть объяснен продолжительным изменением эффективности синапса; 2) они показывают, что достаточно поразительно малой тренировки, чтобы вызвать глубокое изменение синаптической передачи в синапсах, играющих решающую роль при обучении, и 3) они ясно показывают, что кратковременное и долговременное привыкания локализуются в одной и той же части нейрона, а именно в синапсах, образованных сенсорными нейронами на мотонейронах. Кратковременное и долговременное привыкания связаны также с одним и тем же клеточным механизмом — депрессией передачи возбуждения. Теперь нужно определить, является ли долговременная синаптическая депрессия пресинаптической и связана ли она с инактивацией натриевого тока. Если окажется, что это так, то тем самым на более основательном уровне подтвердится представление о едином механизме кратковременной и долговременной памяти.

Сенситизация представляет собой несколько более сложную форму обучения; ее можно обнаружить на рефлексе втягивания жабры. Сенситизация представляет собой длительное усиление ранее существовавшего ответа животного на стимул в результате нанесения другого, ноцицептивного (болевого, повреждающего) стимула. В то время как привыкание требует от животного, чтобы оно научилось итерировать определенный стимул, потому что его последствия несущественны, сенситизация требует, чтобы животное научилось обращать внимание на стимул, так как он сопровождается потенциально болезненным эффектом или опасными последствиями. Поэтому когда на голову аплизии наносится вредоносный стимул, рефлекс втягивания жабры па многократную стимуляцию сифона очень усиливается. Как и привыкание, сенситизация может длиться от минут до дней и недель в зависимости от длительности тренировки. Здесь будет рассмотрена только ее кратковременная форма.

Мы с Кастеллучи установили, что сенситизация влечет за собой изменение синаптической передачи в том же самом пункте, который участвует в привыкании, а именно в синапсах, образованных сенсорными нейронами на центральных клетках-мишенях. Наши физиологические исследования и последующие морфологические исследования К. Бейли (С. Baily), М. Чен (М. Chen) и Р. Хоукинса (R. Hawkins) показывают, что нейроны, осуществляющие сенситизацию, оканчиваются близ синаптических терминалей сенсорных нейронов и усиливают выход медиатора, увеличивая число квантов, высвобождаемых каждым потенциалом действия в сенсорном нейроне. Поэтому такой процесс называется пресинаптическим облегчением. Эти данные представляют интерес, так как они показывают [как и более ранние данные о пресинаптическом торможении в другой системе, полученные Дж. Дьюделом (J. Dudel) и С. Куфлером (S. Kuffler) из Гарвардской медицинской школы], что нейроны обладают рецепторами для медиаторов в двух совершенно разных участках. От рецепторов на теле клетки и на дендритах зависит, возникнет ли в клетке потенциал действия, а от рецепторов на синаптических окончаниях зависит, сколько медиатора высвободится при каждом потенциале действия.

Поэтому на одни и те же пункты — пресинаптические окончания сенсорных нейронов — могут воздействовать противоположным образом две противоположные формы обучения. Во время привыкания они угнетаются в результате возникающей собственной активности нейрона, а при сенситизации в них наступает облегчение вследствие активности других нейронов, которые образуют на них синапсы. Эти данные, полученные на уровне отдельной клетки, подтверждают наблюдение, сделанное на поведенческом уровне, что привыкание и сенситизация представляют собой независимые друг от друга противоположные формы обучения.

В связи с этими данными возникает интересный вопрос. Сенситизация способна усилить нормальный рефлекс, но может ли она противодействовать глубокой депрессии рефлекса, вызванной долговременным привыканием? Если может, то восстанавливает ли она синаптические связи, полностью инактивированные долговременным привыканием?

Сенситизация является такой формой обучения и памяти, при которой ответ на стимул усиливается под влиянием другого, более сильного стимула. Здесь рефлекс втягивания жабры у аплизии усиливается в результате ноцицептивного раздражения области головы. Этот стимул активирует нейроны, которые возбуждают облегчающие вставочные нейроны (В. Н.); последние оканчиваются на синаптических окончаниях сенсорных нейронов. Эти нейроны пластичны, т. е. способны изменять эффективность своего синапса. Медиатор облегчающих вставочных нейронов, предположительно серотонин (точки в кружке), модулирует выделение медиатора сенсорного нейрона на возбуждающие вставочные нейроны и мотонейроны.

Кэрью, Кастеллучи и я изучили этот вопрос и нашли, что сенситизация устраняла депрессию в поведении. Кроме того, за один час сенситизирующая стимуляция головы аплизии восстанавливала функционально инактивированные синапсы (которые оставались бы в таком состоянии в течение недель).

Следовательно, в головном мозгу имеются синаптические пути, которые детерминированы процессами развития, но которые, будучи предрасположены к обучению, могут быть функционально инактивированы или реактивированы опытом. В самом деле, для этих поддающихся модификации синапсов достаточно небольшой тренировки или приобретенного опыта, чтобы вызвать в них глубокие изменения. Если бы эти данные оказались применимыми к мозгу человека, то это означало бы, что даже при простом социальном акте, например при беседе двух людей, активность нейронной механики в мозгу одного человека способна оказывать прямой и, возможно, длительный эффект на модифицируемые синаптические связи в мозгу другого.

Для экспериментатора особенно привлекательна кратковременная сенситизация, так как она обещает быть доступной биохимическому анализу. В качестве первого шага мы с Хоукинсом и Кастеллучи идентифицировали специальные клетки в абдоминальном ганглии аплизии, которые создают пресинаптическое облегчение. Вводя животному электроноплотную метку, чтобы наполнить ею нейрон и пометить его синаптические окончания, мы нашли, что последние содержат пузырьки, сходные с обнаруженными у аплизии Л. Школьник (L. Shkolnik) и Дж. Шварцем (J. Schwartz) в нейроне, медиатором которого, как ранее было установлено, является серотонин. В соответствии с возможной серотонинергической природой этой клетки, М. Брунелли (М. Brunelli), Кастеллучи, Т. Томоски-Сайкс (Т. Tomosky-Sykes) и я нашли, что серотонин усиливал моносинаптическую связь между сенсорным нейроном и мотонейроном L7, тогда как другие вероятные медиаторы подобного действия не оказывали.

Далее мы обнаружили интересную связь между серотонином и внутриклеточным посредником — циклическим аденозинмонофосфатом (цАМФ). Со времени классической работы И. Сьюзерленда-мл. (Е. Sutherland, Jr.) и его сотрудников в Университете Вандербилта известно, что большинство пептидных гормонов не входят в клетку-мишень, а действуют на рецептор клеточной поверхности и стимулируют фермент, называемый аденилатциклазой; этот фермент катализирует в клетке превращение аденозинтрифосфата (АТФ) в цАМФ, который затем действует как «второй посредник» («первым посредником» является гормон) в нескольких точках внутри клетки и вызывает ряд соответствующих изменений функции.

X. Седар (Н. Cedar), Шварц и я нашли, что сильная и длительная стимуляция проводящего пути, который идет у аплизии от головы и по которому осуществляется сенситизация, через синапс повышала содержание цАМФ во всем ганглии. Седар и Шварц, а также И. Левитан (I. Levitan) и С. Барондес (S. Barondes) показали, что длительное повышение содержания цАМФ можно вызвать также инкубацией ганглия с серотонином. Для выяснения связи между серотонином и цАМФ Брунелли, Кастеллучи и я вводили цАМФ в тело сенсорного нейрона и установили, что он тоже вызывает пресинаптическое облегчение, тогда как инъекция 5'-АМФ (продукта распада цАМФ) или другого второго посредника — циклического ГМФ — не давала такого эффекта.

Поскольку привыкание связано с уменьшением кальциевого тока, заманчиво было думать, что цАМФ производит свое облегчающее действие, усиливая кальциевый ток. Как было сказано, кальциевый ток обычно маскируется калиевым током. Поэтому мы с Клейном проследили за потенциалами действия в сенсорных нейронах, в которых калиевый ток был ослаблен посредством ТЭА. Стимуляция пути, который идет от головы и по которому осуществляется сенситизация, или же стимуляция одиночного облегчающего нейрона, усиливала кальциевый ток, что было видно по удлинению потенциала действия на фоне ТЭА, и это усиление сохранялось 15 минут или дольше. Оно шло параллельно с увеличением выхода медиатора, и параллельно этим двум синаптическим изменениям возрастал рефлекс на сенситизирующий стимул.

Усиление кальциевого тока, выраженное в продлении кальциевого компонента потенциала действия после стимуляции сенситизирующего пути, можно было создать внеклеточным нанесением серотонина или двух веществ, которые повышают внутриклеточный уровень цАМФ, ингибируя фосфодиэстеразу — фермент, катализирующий расщепление цАМФ. Такие же эффекты наблюдались после прямой внутриклеточной инъекции цАМФ, но не 5'-АМФ.

На основании этих данных Клейн и я предположили, что стимуляция облегчающих нейронов сенситизирующего пути ведет к выходу серотонина, который активирует серотонин-чувствительный фермент (аденилатциклазу) в мембране окончания сенсорного нейрона. Возникающее при этом в окончании увеличение количества цАМФ ведет к усиленной активации кальциевого тока либо непосредственно путем активации кальциевого канала, либо косвенно, снижением противодействующего калиевого тока. С каждым потенциалом действия растет приток кальция и выход медиатора.

Главное, что вначале привлекло к использованию аплизии для изучения поведения, было наличие крупных клеток, электрические свойства и связи которых доступны детальному исследованию. А теперь размеры этих клеток могут оказаться еще более выгодными для изучения субклеточных и биохимических механизмов обучения, с одной стороны, и возможных изменений мембранной структуры — с другой. Так, например, интересно узнать поточнее, как повышение уровня цАМФ при сенситизации связано с активацией кальциевого тока, поскольку установление механизма этой связи может послужить первым шагом к пониманию на молекулярном уровне этой простой формы кратковременного обучения.

На память приходит целый ряд механизмов. Как полагают, каналы, по которым ионы проходят через мембрану нейрона, состоят из белковых молекул. Поэтому очевидная возможность состоит в том, что цАМФ активирует одну или более протеинкиназ — ферментов, которые, по предположению П. Грингарда (P. Greengard) из Медицинской школы Йельского университета, могли бы служить общим молекулярным механизмом различных эффектов цАМФ внутри клетки. Протеинкиназы — это ферменты, которые фосфорилируют белки, иначе говоря, присоединяют фосфорильную группу к боковой цепи аминокислот серина или треонина в белковой молекуле и этим придают белкам иной заряд и иную конфигурацию, что меняет их функцию, активируя одни и инактивируя другие. Фосфорилирование могло бы служить эффективным механизмом регуляции памяти. Один из способов, каким могла бы действовать сенситизация, состоит в том, что белок кальциевого канала активируется (или же белок антагонистического калиевого канала инактивируется) при фосфорилировании его протеинкиназой, зависимой от цАМФ.

Модель кратковременной сенситизации и привыкания на уровне одиночного сенсорного нейрона, начиная с контрольной ситуации, когда клетка генерирует импульсы до наступления сенситизации или привыкания. Нервный импульс в концевой мембране нейрона открывает параллельно натриевым каналам (Na ⁺) ряд каналов для ионов кальция (Са⁺⁺). Сенситизация вызывается группой клеток L29 (возможно, и другими), которые, как полагают, выделяют медиатор серотонин. Он действует на аденилатциклазу, фермент, катализирующий синтез циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) в нейронных окончаниях. цАМФ повышает приток ионов кальция, возможно, создавая больше кальциевых каналов. Кальций усиливает слияние содержащих медиатор пузырьков с мембраной в местах его выделения, увеличивая вероятность последнего. При привыкании многократная импульсация в окончаниях, возможно, уменьшает число открытых кальциевых каналов, понижая приток кальция и инактивируя синапс.

Сенситизация занимает интересное место в иерархии обучения. Ее часто считают предшественницей классического условного рефлекса. В обеих этих формах рефлекс на стимул усиливается в результате активации другого пути. Сенситизация отличается от условного рефлекса тем, что она не ассоциативна; сенситизирующий стимул повышает рефлекторную реактивность независимо от того, сочетается ли он во времени со стимулом, вызывающим рефлекс. Теперь Э. Гелперин (A. Gelperin) из Принстонского университета, Дж. Мпитсос (G. Mpitsos) и С. Коллин (S. Collins) из Университета Кейса Западной резервной территории, а также Т. Кроу (Т. Crow) и Д. Олкон (D. Alkon) из Национальных институтов здравоохранения к настоящему времени обнаружили у моллюсков несколько типов ассоциативного обучения. Недавно мы с Т. Уолтерсом (Т. Walters) и Кэрью получили доказательства ассоциативного обучения у аплизии. Поэтому скоро мы будем в состоянии точно проанализировать, как механизмы сенситизации соотносятся с механизмами ассоциативного обучения.

Другое возможное теперь направление исследования состоит в рассмотрении связи между исходным развитием нейронной цепи у эмбриона и ее последующей модификацией обучением. И при развитии, и при обучении в нервной системе происходят функциональные изменения — меняются эффективность синапсов и другие свойства нейронов. Как соотносятся такие изменения? Основаны ли механизмы обучения на механизмах пластичности, проявляющейся во время развития или же позднее формируются совершенно новые специализированные для обучения процессы?

Какими бы ни оказались ответы на эти интригующие вопросы, при исследовании беспозвоночных животных возникло поразительное и обнадеживающее обстоятельство: теперь стало возможным точно локализовать и наблюдать на клеточном - а в конце концов, возможно, и на молекулярном - уровне простые свойства памяти и обучения. Хотя для сложного головного мозга высших животных характерны некоторые высшие проявления умственной деятельности, теперь стало ясно, что элементарные свойства того, что считается мыслительными процессами, можно обнаружить в активности лишь очень малого числа нейронов. Поэтому и с философской, и с методической точек зрения интересно будет узнать, в какой степени высшие формы мышления можно объяснить действием более простых компонентов и механизмов. В той мере, в какой возможны такие редукционистские объяснения, важно также установить, как единицы этой элементарной азбуки комбинируются для создания языка гораздо более сложных мыслительных процессов.