Мыши профессора Тонегавы

Профессор Сусуму Тонегава, лауреат Ноблевской премии 1987 года, полученной за фундаментальные открытия в иммунологии, в последние десятилетия переключился на изучение мозга и возглавляет сегодня лабораторию генетики нервных сетей в Массачузетском технологическом институте (США) и Институт мозга в Японии. Первое исследование ложной памяти его группа провела в 2013 году. Оно состояло, грубо говоря, в следующем. Поначалу у группы мышей создавалось воспоминание о некой ситуации (назовем ее А): их помещали в особую клетку, где был черный пол, горел красный свет и пахло ацетоном, и особым образом «помечали» те нейроны мышиного мозга, которые «вспыхивали» (то есть проявляли активность), когда мышь осваивалась в этой клетке. Понятно, что воспоминания об этом эпизоде мышиной жизни хранилось именно в этих нейронах.

На второй день тех же мышей поместили в другую клетку, где они время от времени получали слабый удар током (это была ситуация В). Понятно, что и тут какие-то нейроны запоминали сей эпизод. Но кроме того в момент каждого удара током экспериментаторы специальным образом возбуждали и те помеченные нейроны, в которых было записано воспоминание о первой клетке. Тем самым они искусственно связывали удар током также с воспоминанием о комнате А, в которой мыши никакого удара не получали. Иными словами, они пытались создать ложное воспоминание. И это им удалось! Когда мышей помещали затем снова в клетку А (с черным полом, красным светом и запахом ацетона), они замирали в ужасе, как будто их поместили в страшную клетку В, где их ударяли током. Таким образом неприятный эпизод как бы переместился теперь в другую ситуацию, - получил, как говорят ученые, ложный контекст. На допросе такая мышь твердо стояла бы на том, что ее били током в клетке А. И в доказательство своей правдивости напоминала бы, что когда ученые, для проверки, помещали ее в третью клетку, С, где она раньше никогда не бывала и о которой у нее, следовательно, не было никаких воспоминаний, ей вовсе не было страшно. А в клетке А было, потому что именно там ее раньше били током.

Интересный эксперимент, не правда ли? Но профессор Тонегава на этом не остановился. В августе 2014 года он опубликовал в журнале Nature статью о новом опыте. Теперь он замахнулся на большее: преобразовать воспоминание не просто из правдивого в ложное, а из неприятного в приятное. Для этого мыши (исключительно молодые самцы) сначала были помещены в прямоугольную клетку, в дальнем конце которой они время от времени получали удары током. Одновременно исследователи все тем же специальным образом возбуждали те нейроны, в которых «записалось» воспоминание об этом месте. На следующий день этих самцов помещали в ту же клетку вместе с самками. Молодые самцы, естественно, приходили в неистовый восторг, и в тот момент, когда в ходе ухаживания за самками они оказывались в дальнем конце клетки, исследователи опять возбуждали те нейроны, где записалось неприятное воспоминание об этом месте. Можно было бы думать, что в силу этого воспоминания самки должны были бы тотчас показаться самцам возможным «источником» ударов тока, но этого не произошло: самцы ухаживали за самками еще бойчее, демонстрируя этим, что раздражение нейронов вместо того, чтобы возвращать их к неприятным ощущениям, стало усиливать приятное.

Тоже очень интересные результаты. Можно думать, что со временем у них найдется даже выход в практику – например, для лечения депрессии, вызванной неприятными воспоминаниями. Впрочем, вполне можно представить себе также использование этих приемов для управления человеческой памятью с целью «зомбирования» людей. У такого рода открытий всегда есть обратная, мрачная сторона, а дальше, как говорил Ежи Лец, «все в руках человека, поэтому руки у него должны быть чистыми». Но сам профессор Тонегава преследовал в этих экспериментах более узкую, но в научном плане очень важную цель: не просто преобразовывать эпизодические воспоминания, но и выяснить, в ходе этого, где они находятся в мозгу. Действительно, мы все время говорили, что он «помечал» или «возбуждал» те нейроны, в которых у мыши записались и хранились воспоминания о тех или иных эпизодах, - а как он их опознал, эти нейроны? и, кстати, как он их «помечал»? и как «возбуждал»?

В любом научном эксперименте такие «как?» - это на самом деле главное. Поэтому ответ на эти три вопроса лучше всего показывает тонкость экспериментов профессора Тонегавы. Ему было известно, что искомые нейроны находятся в той части мозга, которая называется гипокамп. Это уже установил несколько лет назад Пенфилд, когда проверял, как работает мозг эпилептика, у которого удалили мозговые участки, ответственные за конвульсии во время припадков. Случайно подав электрический импульс на нейроны гипокампа, он вызвал у больного яркое образное воспоминание о давно прошедшем и прочно забытом событии его жизни. Но где именно в гипокампе находятся нейроны эпизодической памяти? Для выяснения этого Тонегава воспользовался новым, поистине фантастическим по возможностям, методом исследования – т.н. оптогенетикой. Я уже однажды о ней рассказывал, поэтому напомню бегло. Как выяснилось несколько лет назад, некоторые бактерии и археи вырабатывают белки, которые чувствительны к свету той или иной длины волны (желтый, красный, зеленый). И совсем недавно было показано, что если гены, по команде которых образуются эти белки, пересадить в какие-нибудь клетки животного – например, в нейроны, - то потом, освещая такие нейроны светом подходящей длины волны, можно по желанию включать их в работу или выключать. Это открытие побудило к разработке техники пересадки упомянутых генов (сначала в нейроны, а потом и в некоторые другие виды животных клеток), а также введения в нужные участки мозга живых животных очень тонких светопроводящих волокон, по которым можно подавать на нейроны любого такого участка нужный световой импульс. И можно не беспокоиться - этот импульс будет возбуждать только нужные нейроны, потому что только в них были введены гены светочувствительных белков. Вся эта эпопея рождения оптогенетики заняла каких-нибудь 10 лет. Наука в наши времени работает быстро. Иногда даже пугающе быстро.

Тонегава вместе с одним из создателей оптогенетики Диссеротом усовершенствовали эту технику. В нейроны мышиного гипокампа был пересажен ген реагирующего на синий свет белка. Туда же были введены светопроводящие волокна. Но пересадка гена была сделана так, чтобы он включался в работу по производству своего белка только по команде другого гена (с-fos), работу которого можно было подавлять добавлением в диету мышей вещества Докс. Схема, стало быть, была такая: едят мышки Докс – ген (с-fos) не работает - ген свето-белка не включается - свето-белок не производится – нейроны на свет не реагируют. Убрали Докс из диеты – свето-белок производится и сохраняется в нейроне. И если теперь осветить этот нейрон (по волокну) синим светом, он активизируется. Причем это можно сделать в любой момент, что бы ни делала мышь. Пользуясь этим, исследователи как раз и нашли нужные нейроны. Они исключили ДОКС из диеты, запустили мышей в клетку, и пока те осваиваивались там, ударяли их слабым током и посылали по волокну синий свет. Благодаря этому нейроны, запомнившие весь этот эпизод, становились «помеченными». Поместив их на другой день в другую клетку и посылая синий свет в разные нейроны гипокампа, можно было увидеть, при освещении каких именно нейронов мышь реагирует страхом, - это и были нейроны-носители вчерашнего воспоминания/. Интересующихся деталями отсылаю к статье Тонегавы и его сотрудников в журнале Science, - а для остальных скажу, что эти нейроны оказались в т.н. «зубчатом колесе» гипокампа.

Выявление местонахождения «эпизодических» воспоминаний и их успешные преобразования, описанные выше, - конечно, большое достижение группы Тонегавы, но, как это часто бывает с большими научными достижениями, оно рождает не меньше вопросов, чем решает. Прежде всего, непонятно, что именно «помнят» нейроны «зубчатого колеса» - весь эпизод в целом (т.е. пребывание в клетке и все ее детали), или только запах ацетона? или красный свет? или черный пол? И может ли вообще весь эпизод со всеми его зрительными, обонятельными, слуховыми и болевыми деталями «уместиться» в небольшой группе нейронов «зубчатого колеса»? Может быть, там хранится только одна какая-то деталь, а прочие распределены по целой сети нейронов, которая разом включается при возбуждении любого из них. Или, что еще интересней, - может быть, эта сеть охватывает и другие участки мозга? Ведь сенсорные детали «эпизода» (боль, свет, запах) должны быть там, где хранится сенсорная память, а уже известно, что сигналы от органов чувств проходят через т.н. амигдалу – миндалевидный участок мозга, находящийся неподалеку от гипокампа. (Кстати, в последнем эксперименте Тонегавы было действительно обнаружено некое «податливое к изменениям» взаимодействие между нейронами «зубчатого колеса» и нейронами амигдалы, и, как считает Тонегава, именно изменение этого взаимодействия меняет эмоциональную «окраску» воспоминания с неприятной на приятную).
Все эти вопросы пока не имеют ответов, но можно думать, что с помощью методов оптогенетики ученым удастся разгадать и эти загадки и тем самым продвинуться еще дальше в понимании памяти и ее механизмов. Для таких надежд есть уже даже некоторые основания, ибо другие исследователи, идя другим путем – не от эпизодической, а от сенсорной памяти, - но пользуясь теми же оптогенетическими методами, уже сумели нащупать связь этой памяти с амигдалой, а через нее – с аутизмом. Но это уже, как говорила Шахразада, сюжет для другого небольшого рассказа.

Рафаил Нудельман
"Окна", 30.04. 2015