Нобелевский лауреат Сусуму Тонегава во время июльской конференции FEBS 2013 в Санкт-Петербурге впервые рассказал про эксперимент, в ходе которого мышам удалось внедрить ложную память. Несколько дней назад подробности работы появились в Science. В том, что подразумевается под ложной памятью и как и куда ее удалось внедрить, разбиралась «Лента.ру».
Представим, что вы разведчик будущего и отправляетесь на опасное задание, где вам предстоит попасть в самое логово врага. Вас, как и разведчиков старой закалки, тренировали запоминать цифры, имена, лица и другие подробности, но у вас, в отличие от них, в кармане есть гораздо более эффективное оружие — небольшая таблетка, которую нужно выпить непосредственно перед заданием. Вы проглатываете таблетку, знакомитесь с секретными документами, с боем выбираетесь из бункера противника и наконец попадаете к своим.
Как вспомнить в подробностях все то, что вы видели на вражеской территории? Кое-что вы припоминаете собственными усилиями, но, конечно, далеко не все, что нужно. Тогда вас отправляют к военным медикам, которые в ходе нехитрой операции вживляют в ваш мозг оптоволокно и там с его помощью облучают синим светом особую структуру. Вы лежите на кушетке, доктор нажимает на кнопку, и в этот момент вы вдруг оказываетесь снова в тылу врага, и все обстоятельства того, что там происходило, ощущаете как наяву. В результате боеголовки пересчитаны, секретный код восстановлен, Земля спасена.
Подобный сюжет уже слишком долго кочует из одного фантастического фильма в другой, чтобы хоть кому-то показаться оригинальным. Тем не менее мало кто знает, что эксперимент примерно с такой же фабулой (если не считать замены разведчиков на мышей) был опубликован в Nature уже около полугода назад, а сейчас появилось его продолжение.
Тогда ученые из Массачусетского технологического института под руководством нобелевского лауреата Сусуму Тонегава смогли при помощи направленного в гиппокамп синего света заставить мышей вспомнить определенный эпизод из их жизни, а именно — как животные однажды побывали в незнакомой для них клетке. Поскольку мыши не могли самостоятельно рассказать экспериментаторам о том, что им вспомнилось в момент включения света, об их ощущениях судили по внешнему поведению: в момент «озарения» грызуны замирали, поскольку в той самой незнакомой клетке их подвергали небольшому, но весьма неприятному удару током.
В норме такое поведение проявляется, когда мышей через некоторое время после удара током снова сажают в злополучную клетку — срабатывает классический павловский рефлекс. Изюминка нового эксперимента заключалась в том, что во время его проведения мыши были в безопасной, с их точки зрения, клетке — защитная реакция вызывалась не реальностью, а только активированными светом воспоминаниями.
То, что воспоминания можно активировать прямым воздействием на мозг, известно уже довольно давно. Впервые это было случайно обнаружено американским хирургом Уалдером Пенфилдом.
Пенфилд был врачом и занимался лечением эпилепсии, разрушая те области мозга, которые были причиной возникновения аномальной активности. Понятно, что такая работа требовала точного определения границ патологических участков. Перед тем как приступить к их разрушению, Пенфилд проводил электрическую стимуляцию, в ходе которой пациенты находились в сознании и рассказывали о своих ощущениях. Таким операциям мы обязаны, помимо прочего, знаменитым гомункулюсом — рукастым и губастым человечком, изображение которого соответствует специализации различных участков коры. В ходе некоторых из подобных операций пациенты Пенфилда сообщали о том, что им с необычной яркостью вспоминались какие-то ранее пережитые события. Причем, судя по рассказам, это были не просто воспоминания, которые каждый может вызвать произвольно, но яркие вспышки озарения.
Эксперименты Пенфилда приобрели очень широкую известность как в научной среде, так и за ее пределами. Многие интерпретировали его результаты так, как будто память представляет собой некий недремлющий видеорегистратор, который запоминает все, что человек видит и чувствует, хоть обычно и не может вспомнить произвольно. Оснований для такой интерпретации в самих экспериментах было мало — только некоторые из пациентов во время электростимуляции переживали вспышки памяти. Но даже если бы это было не так, нет повода думать, что случайность таких воспоминаний свидетельствует о всеобъемлемости памяти.
Ключевым свойством вызванных электростимуляцией воспоминаний является их случайность. При наличии пары электродов и пусть даже бесконечно терпеливого пациента невозможно научиться произвольно включать именно те воспоминания, которые мы по какой-то причине хотим оживить. Это связано, во-первых, с тем, что непонятно, как именно кодируются те или иные воспоминания — отвечают ли за них отдельные нейроны или их сети, а если сети, то как именно они формируются. Неясно, можно ли вообще вызвать воспоминание активацией одиночных клеток. Во-вторых, провести «направленное вспоминание» при помощи электростимуляции невозможно просто по той технической причине, что электрод — это очень грубый инструмент, который возбуждает сотни тысяч и миллионы разных нейронов. Понадобилось почти полвека исследований в очень разных областях науки (включая и те, что крайне далеки от нейробиологии), чтобы ученые смогли наконец подобраться к решению этой проблемы.
Когда Карл Дайсерот получил грант на создание своей первой собственной исследовательской группы, он меньше всего хотел начинать с рискованной тематики, от которой отказались другие исследователи. Однако именно этого требовала логика исследования, а возможности, которые открывались перед создателями новой технологии в случае успеха, были воистину фантастическими.
К моменту создания группы Дайсерота в области, казалось бы, никак не связанной с нейробиологией, произошло событие, которое имело ключевое значение для новой технологии — биоинформатики обнаружили несколько генов каналродопсинов у зеленых водорослей. Родопсины представляют собой чувствительные к свету трансмембранные белки, которые в ответ на облучение синим светом могут пропускать ионы внутрь клетки. Подобные белки позволяют получать энергию из света некоторым бактериям, а дальние родственники этих молекул обеспечивают чувствительность к свету клеток сетчатки глаза.
Открытие компактных и относительно простых родопсинов у водорослей означало, что их гены можно попытаться заставить работать в нейронах, и тогда облучение последних синим светом должно будет привести к электрохимическому возбуждению. С идеями контролировать работу нейронов при помощи света, а не электричества выступал в 1970-х годах еще Френсис Крик, но на протяжении десятилетий это не приводило ни к чему практическому. Открытие бактериальных родопсинов дало вторую жизнь этим идеям, но только Дайсероту и его сотрудникам удалось собрать из разрозненных методик работающую систему.
Как впоследствии отмечал сам Дайсерот, метод сработал гораздо лучше, чем кто-либо мог ожидать. Существовала тысяча причин, по которым все могло пойти не так (недаром многие исследователи не брались за амбициозную идею), но в реальности активация нейронов светом оказалась очень надежным методом.
Для введения генов родопсина в нейроны ученые использовали вирусы, которые инъецировали прямо в мозг подопытным крысам. Эти вирусы содержали гены, которые не просто кодировали светочувствительные белки-родопсины, но и имели элементы управления — такие, чтобы делать светочувствительными только нужную часть клеток. Кроме того, ученые разработали методы введения оптического волокна в определенную зону мозга, причем таким образом, чтобы подключенное к нему животное могло свободно двигаться. На несколько лет лаборатория Дайсерота превратилась в центр обучения исследователей со всего мира, которые хотели перенять новую методику для применения ее в собственных изысканиях. Сам же пионер оптогенетики переключился на создание новой технологии — метода осветления мозга, который позволяет рассмотреть в нем отдельные нейроны и их связи, ничего при этом не разрушая.
Адаптацией методики Дайсерота к исследованию памяти занялся нобелевский лауреат Сусуму Тонегава и сотрудники его лаборатории. Тонегава, родившийся в 1939 году в Японии, получил Нобелевскую премию за работы по исследованию механизма образования антител, которые отвечают за иммунологическую память. Как и Крик, Тонегава на пике карьеры решил поменять специализацию и занялся исследованием мозга, а конкретнее — механизмами памяти.
Тонегаве удалось совместить множество методик из разных областей науки и в некотором смысле довести до конца эксперимент Пенфилда, а затем сделать и еще один шаг — не просто стимулировать определенное воспоминание, но даже создать воспоминание о несуществующем событии. Как ему это удалось?
Ученые уже давно знают, что формирование памяти о любом событии сопровождается синтезом белка в нейронах. Какую роль играют эти белки и как они влияют на память — тема для отдельного разговора. Важно, что среди этих белков существуют такие, которые синтезируются только на самых ранних этапах этого процесса — они называются непосредственно ранние гены или просто «ранние гены» (immediate early genes).
В принципе, в разных тканях они могут участвовать в разных процессах, но в мозге (и особенно в его отделе гиппокампе) эти белки синтезируются только тогда, когда нейроны начинают активно что-то запоминать. Один из главных таких белков называется c-fos, и именно его использовали в лаборатории Тонегавы для того, чтобы «поймать» нейроны, которые хранят память о том или ином событии.
Прежде всего авторы получили специальную линию лабораторных мышей, которые одновременно с синтезом c-fos синтезировали специальный контролируемый транскрипционный фактор. Все нейроны, которые участвуют в образовании памяти у таких мышей, синтезировали этот транскрипционный фактор в тот момент, когда с мышью происходило что-то необычное, например, она оказывалась в незнакомой клетке.
До тех пор пока ученые не инъецировали таким мышам вирус с геном каналродопсина, это никак не сказывалось на их жизни. Кроме того (и это было очень важно для эксперимента), ученые могли временно держать этот транскрипционный фактор выключенным за счет добавления в рацион мышей специального вещества — доксициклина. Тогда даже в клетках, где содержалась вирусная конструкция, это не приводило к синтезу каналродопсинов.
Получив специальных мышей, инъецировав им в гиппокамп вирус с нужными генами и подключив животных к оптическому волокну, ученые приступили к эксперименту.
В норме мышей все время держали на доксициклине — при этом что бы они ни запоминали и чему бы ни обучались, это не приводило к синтезу светочувствительных белков. В день эксперимента доксициклин из рациона грызунов удаляли, а животных помещали в новую незнакомую клетку. В нейронах, которые отвечают за формирование памяти, начинали синтезироваться ранние белки, в том числе c-fos. Одновременно синтезировался зависимый от доксициклина транскрипционный фактор. Поскольку антибиотика в мозге уже не было, появление транскрипционного фактора приводило к синтезу светочувствительных белков в мембранах — таким образом нейроны памяти оказались помеченными.
Чтобы можно было отследить, помнят ли мыши новую клетку, ученые обращались к обычному павловскому рефлексу — давали небольшой электрический удар (когда мышь помещают в клетку, где ей когда-то пришлось испытать подобный неприятный опыт, она инстинктивно замирает).
После первой стадии эксперимента мышам начинали заново давать доксициклин, и они возвращались к обычной жизни. Затем, спустя несколько недель, грызунов с помеченными каналродопсинами нейронами вновь помещали в экспериментальные клетки.
Когда мышь сажали в ту же клетку (клетку А), где она раньше испытывала удар, она инстинктивно замирала — это, как мы говорили, хорошо известная реакция. Когда ее сажали в другую клетку (клетку B, она внешне довольно сильно отличается от A), ничего подобного не происходило. Однако когда мышей сажали в клетку В и при этом облучали мозг по оптоволокну, мышь замирала, то есть вела себя так, как будто неожиданно оказывалась в клетке A. Интересно, что с мышами, которым не прекращали давать доксициклин, ничего подобного не происходило, а это значит, что воспоминание о «неприятной» клетке активировалось именно при помощи каналродопсинов.
Впрочем, эти результаты Тонегавы были опубликованы уже довольно давно. Какое отношение они имеют к ложным воспоминаниям, ведь воспоминания мышей о клетке А были совершенно реальными?
В новом эксперименте исследователи из Массачусетского технологического института сделали еще один шаг вперед. Они решили проверить: что если связать неприятный стимул и не реальную клетку, а только воспоминание о ней?
В новом эксперименте в клетке А с мышами делали все то же самое, что и в старом, только не проводили электрический удар. Как и в прошлый раз, их нейроны оказались помечены каналродопсинами и могли активироваться в ответ на включение света. Затем мышей помещали в клетку B и начинали облучать мозг. И только после этого ученые включали электрический ток.
Оказалось, что воспоминания об обстановке ассоциируются с неприятными ощущениями не хуже, чем реальная обстановка: когда мышей снова переносили в клетку А (где, как мы помним, ничего плохого с ними не происходило), они замирали, как будто ожидали электрического удара. Если их помещали в третью клетку, С, которая не похожа ни на А, ни на В, ничего подобного не происходило. Интересно, что даже тогда, когда их помещали в клетку В, где на самом деле имел место электрический удар, они реагировали довольно слабо. Это говорит о том, что воспоминания о клетках А и В мешали друг другу.
Считать ли такое необычное поведение мышей ложной памятью? С формальной точки зрения она ей, безусловно, является, так как мыши помнят как опасную другую клетку. Авторы в данном случае ни на йоту не преувеличивают свои достижения. Но все же и удар, и клетка имели место в реальности. Если же кто-то думал, что под ложной памятью подразумевалось что-то вроде того, о чем идет речь в фильме «Вспомнить все», то ему придется подождать еще.