Хімічний ключ пам’яті

Загадка людської пам’яті — одна з головних наукових проблем XXI століття, причому вирішувати її доведеться спільними зусиллями хіміків, фізиків, біологів, фізіологів, математиків і представників інших наукових дисциплін. І хоча до повного розуміння того, що з нами відбувається, коли ми «запам’ятовуємо», «забуваємо» і «згадуємо знову», ще далеко, важливі відкриття останніх років вказують правильний шлях.

На сьогоднішній день навіть відповідь на базове питання — що собою являє пам’ять у часі і просторі — може складатися в основному з гіпотез і припущень. Якщо говорити про простір, то досі не дуже зрозуміло, як пам’ять організована і де конкретно в мозку розташована. Дані науки дозволяють припустити, що елементи її присутні скрізь, в кожній з областей нашої «сірої речовини». Більш того, одна і та ж, здавалося б, інформація може записуватися в пам’ять в різних місцях.

Наприклад, встановлено, що просторова пам’ять (коли ми запам’ятовуємо якусь вперше побачену обстановку — кімнату, вулицю, пейзаж) пов’язана з областю мозку під назвою гіпокамп. Коли ж ми спробуємо дістати з пам’яті цю обстановку, скажімо, десять років потому — то ця пам’ять вже буде витягнута з зовсім іншої області. Так, пам’ять може переміщатися всередині мозку, і найкраще ця теза ілюструє експеримент, проведений колись з курчатами. У житті курчат відіграє велику роль імпрінтинг — миттєве навчання (а приміщення в пам’ять — це і є навчання).

Одна з головних проблем нейрофізіології — неможливість проводити досліди на людях. Однак навіть у примітивних тварин базові механізми пам’яті схожі з нашими

Наприклад, курча бачить великий рухомий предмет і відразу «віддруковує» в мозку: це мама-курка, треба слідувати за нею. Але якщо через п’ять днів у курча видалити частину мозку, відповідальну за імпрінтинг, то з’ясується, що… запам’ятаний навик нікуди не подівся. Він перемістився в іншу область, і це доводить, що для безпосередніх результатів навчання є одне сховище, а для тривалого його зберігання — інше.

Запам «ятовуємо із задоволенням

Але ще більш дивно, що такої чіткої послідовності переміщення пам’яті з оперативної в постійну, як це відбувається в комп’ютері, в мозку немає. Робоча пам’ять, що фіксує безпосередні відчуття, одночасно запускає й інші механізми пам’яті — середньострокову і довготривалу. Але мозок — система енергоємна і тому намагається оптимізувати витрачання своїх ресурсів, в тому числі і на пам’ять.

Тому природою створена багатоступенева система. Робоча пам’ять швидко формується і настільки ж швидко руйнується — для цього є спеціальний механізм. А ось по-справжньому важливі події записуються для довготривалого зберігання, важливість же їх підкреслюється емоцією, ставленням до інформації. На рівні фізіології емоція — це включення найпотужніших біохімічних модулюючих систем. Ці системи викидають гормони-медіатори, які змінюють біохімію пам’яті в потрібний бік.

Серед них, наприклад, різноманітні гормони задоволення, назви яких нагадують не стільки про нейрофізіологію, скільки про кримінальну хроніку: це морфіни, опіоїди, канабіноїди — тобто виробляються нашим організмом наркотичні речовини. Зокрема, ендоканнабіноїди генеруються прямо в синапсах — контактах нервових клітин.

Вони впливають на ефективність цих контактів і, таким чином, «заохочують» запис тієї чи іншої інформації в пам’ять. Інші речовини з числа гормонів-медіаторів здатні, навпаки, придушити процес переміщення даних з робочої пам’яті в довготривалу. Механізми емоційного, тобто біохімічного підкріплення пам’яті зараз активно вивчаються.

Проблема лише в тому, що лабораторні дослідження подібного роду можна вести тільки на тваринах, але чи багато здатна розповісти нам про свої емоції лабораторний щур?

Якщо ми щось зберегли в пам’яті, то часом приходить час цю інформацію згадати, тобто витягти з пам’яті. Але чи правильно це слово «витягти»? Судячи з усього, не дуже. Схоже, що механізми пам’яті не витягують інформацію, а заново генерують її. Інформації немає в цих механізмах, як немає в «залізі» радіоприймача голосу або музики.

Але з приймачем все ясно — він обробляє і перетворює прийнятий на антену електромагнітний сигнал. Що за «сигнал» обробляється при витяганні пам’яті, де і як зберігаються ці дані, сказати поки вельми важко. Проте вже зараз відомо, що при спогаді пам’ять переписується заново, модифікується, або принаймні це відбувається з деякими видами пам’яті.

Не електрика, але хімія

У пошуках відповіді на питання, як можна модифікувати або навіть стерти пам’ять, в останні роки були зроблені важливі відкриття, і з’явився цілий ряд робіт, присвячених «молекулі пам’яті».

Насправді таку молекулу або принаймні якийсь матеріальний носій думки і пам’яті намагалися виділити вже років двісті, але все без особливого успіху. Зрештою нейрофізіологи дійшли висновку, що нічого специфічного для пам’яті в мозку немає: є 100 млрд. нейронів, є 10 квадрильйонів зв’язків між ними і десь там, в цій космічних масштабів мережі одноподібно закодовані і пам’ять, і думки, і поведінка.

Відкрити нові резерви

Заради чого варто вивчати пам’ять? Крім того, що мова йде про рішення однієї з головних загадок буття — загадки функціонування людського мислення і його фізіологічної основи, такі дослідження можуть принести і практичні результати. Відомо, що різниця між людиною, яка хапає все на льоту (і навіть пам’ятає мало не всі миті свого життя — є і такі), і тим, хто запам’ятовує лише з двадцятого повтору, — в неоднаковому біохімічному забезпеченні пам’яті. Активність цих біохімічних систем у кожного індивідуальна, але, якщо вдасться наблизитися до кращого розуміння їх природи і функціонування, людина зможе керувати своєю пам’яттю, відкриваючи її заховані природою резерви.

Робилися спроби заблокувати окремі хімічні речовини в мозку, і це призводило до зміни в пам’яті, але також і до зміни всієї роботи організму. І лише в 2006 році з’явилися перші роботи про біохімічну систему, яка, схоже, дуже специфічна саме для пам’яті. Її блокада не викликала жодних змін ні в поведінці, ні в здатності до навчання — тільки втрату частини пам’яті. Наприклад, пам’яті про обстановку, якщо блокатор був введений в гіпокамп.

Або про емоційний шок, якщо блокатор вводився в амігдалу. Виявлена біохімічна система являє собою білок, фермент під назвою протеїнкіназа М-зета, який контролює інші білки.

Молекула працює в місці синаптичного контакту — контакту між нейронами мозку. Тут треба зробити один важливий відступ і пояснити специфіку цих самих контактів. Мозок часто уподібнює комп’ютеру, і тому багато хто думає, що зв’язки між нейронами, які і створюють все те, що ми називаємо мисленням і пам’яттю, мають чисто електричну природу.

Але це не так. Мова синапсів — хімія, тут одні вибрані молекули, як ключ із замком, взаємодіють з іншими молекулами (рецепторами), і лише потім починаються електричні процеси. Від того, скільки конкретних рецепторів буде доставлено по нервовій клітці до місця контакту, залежить ефективність, велика пропускна здатність синапсу.

Білок з особливими властивостями

Протеінкіназа М-зета якраз контролює доставку рецепторів по синапсу і таким чином збільшує його ефективність. Коли ці молекули включаються в роботу одночасно в десятках тисяч синапсів, відбувається перемаршрутизація сигналів, і загальні властивості якоїсь мережі нейронів змінюються.

Все це мало нам говорить про те, яким чином в цій перемаршрутизації закодовані зміни в пам’яті, але достовірно відомо одне: якщо протеїнкіназу М-зета заблокувати, пам’ять зітреться, бо ті хімічні зв’язки, які її забезпечують, працювати не будуть. У знову відкритої «молекули» пам’яті є ряд цікавих особливостей.

По-перше, вона здатна до самовідтворення. Якщо в результаті навчання (тобто отримання нової інформації) в синапсі утворилася якась добавка у вигляді певної кількості протеїнкінази М-зета, то ця кількість може зберігатися там дуже довгий час, незважаючи на те що ця білкова молекула розкладається за три-чотири дні. Якимось чином молекула мобілізує ресурси клітини і забезпечує синтез і доставку в місце синаптичного контакту нових молекул на заміну вибулих.

По-друге, до цікавих особливостей протеїнкінази М-зета відноситься її блокування. Коли дослідникам знадобилося отримати речовину для експериментів з блокування «молекули» пам’яті, вони просто «прочитали» ділянку її гена, в якому закодований її ж власний пептидний блокатор, і синтезували її. Однак самою кліткою цей блокатор ніколи не виробляється, і з якою метою еволюція залишила в геномі його код — неясно.

Третя важлива особливість молекули полягає в тому, що і вона сама, і її блокатор мають практично ідентичний вид для всіх живих істот з нервовою системою. Це свідчить про те, що в особі протеїнкінази М-зета ми маємо справу з найдавнішим адаптаційним механізмом, на якому побудована в тому числі і людська пам’ять.

Звичайно, протеїнкіназа М-зета — не «молекула пам’яті» в тому сенсі, в якому її сподівалися знайти вчені минулого. Вона не є матеріальним носієм запам’ятаної інформації, але, очевидно, виступає в якості ключового регулятора ефективності зв’язків всередині мозку, ініціює виникнення нових конфігурацій як результату навчання.

Впровадитися в контакт

Зараз експерименти з блокатором протеінкінази М-зета мають в деякому сенсі характер «стрільби по площах». Речовина вводиться в певні ділянки мозку піддослідних тварин за допомогою дуже тонкої голки і вимикає, таким чином, пам’ять відразу у великих функціональних блоках. Межі проникнення блокатора не завжди зрозумілі, так само як і його концентрація в районі ділянки, обраної в якості мети. У підсумку далеко не всі експерименти в цій області приносять однозначні результати.

Справжнє розуміння процесів, що відбуваються в пам’яті, може дати робота на рівні окремих синапсів, але для цього необхідна адресна доставка блокатора в контакт між нейронами. На сьогоднішній день це неможливо, але, оскільки таке завдання перед наукою стоїть, рано чи пізно інструменти для її вирішення з’являться. Особливі надії покладаються на оптогенетику. Встановлено, що клітиною, в якій методами генної інженерії вбудована можливість синтезу світлочутливого білка, можна керувати за допомогою лазерного променя.

І якщо такі маніпуляції на рівні живих організмів поки не виробляються, щось подібне вже робиться на основі вирощених клітинних культур, і результати вельми вражаючі.