Канадец Дональд Хебб был учеником Карла Лешли. Он вырос в семье врачей, но решил стать писателем. Однако после изучения литературы он был вынужден заниматься тем же, чем и многие другие одержимые этой мечтой, – стать преподавателем. Но здесь тоже все было не так гладко, и он чередовал работу учителем с подработками в сельском хозяйстве. В 1928 году он возглавил школу в Монреале, но она находилась в одном из худших районов города. Хебб, которого самого обучали по методике Монтессори, пытался улучшить результаты учеников, делая уроки более интересными. Но его попытки столкнулись с сопротивлением со всех сторон. В конце концов он бросил педагогику и стал ученым. Может быть, так он сможет понять механизмы обучения? Спустя тринадцать лет исследований и работы в США он вернулся в Монреальский университет Макгилла в качестве профессора. Еще через год он возглавит в нем кафедру психологии.

У одного из пациентов нашли клетку, которая избирательно реагировала на Дженнифер Энистон, у другого – на Холли Берри, а у третьего – на Барта Симпсона.

Жизнь Хебба идеально подошла бы для художественной литературы. Его выбор тем для исследований был также непоследователен, как и его жизнь. Часть из них касались сенсорной депривации[118] и по сей день вызывают споры. По слухам, его исследования финансировало ЦРУ, стремясь узнать, каким образом КГБ промывало мозги заключенным. Многие другие исследования Хебба канули в лету, но в этих диких зарослях есть два дерева, которые возвышаются над всем лесом истории нейробиологии. С одним из них вы непременно познакомитесь, если запишетесь на вводный курс в психологию или нейронауку, а второе переплетено корнями с первым, но о нем пока говорят только в узких кругах ученых, изучающих память, и теоретиков-когнитивистов. У нас пока не было возможности узнать, соответствуют ли наши утонченные умственные построения тому, как на самом деле обстоят дела в природе. До настоящего момента. Во время вводного курса каждый студент узнает о предложенном Хеббом принципе того, что синапсы укрепляются во время обучения, или принципе синаптической пластичности. Большинство ученых и сегодня считают, что он лежит в основе запоминания. Представьте, что раз за разом вместе появляются два стимула. Очень скоро вы научитесь связывать, ассоциировать их друг с другом. Вспомните Павлова – еду и звонок: такое классическое обуславливание является простейшей формой ассоциативного запоминания. Нервные клетки, активировавшиеся этими двумя стимулами, активизируются одновременно. Согласно этой теории, когда одна из клеток раз за разом отправляет сигналы другой, и та тоже активируется, синаптическая связь между ними возрастает.

Это было задолго до того, как появилась техническая возможность измерить силу отдельных синапсов. Но это не помешало Хеббу утверждать, что, когда нервные клетки активированы одновременно, происходят изменения в их росте или в обмене веществ. Так или иначе, этим клеткам проще активизироваться вместе и в будущем. Таков закон Хебба в его неописуемой простоте и красоте. Жаль, что его нельзя столь же красиво зарифмовать на шведском: «Neurons that fire together wire together» – «Нейроны, активизирующиеся вместе, соединяются»[119].

Я занимаюсь наукой уже много лет, но до сих пор потрясен этим. Как человек, сидя в кабинете, без технической возможности проверить эту гипотезу, понял, как работает природа, да еще и в таких деталях? Только много лет спустя наша старая знакомая, улитка Aplysia californica, позволила Эрику Канделу из Колумбийского университета изучить ее жаберный рефлекс. Научение происходило точно так, как и предсказал Хебб[120]. Дальнейшие исследования показали, что синаптическое подкрепление такого типа, или долгосрочное потенцирование, является базовым, общим механизмом запоминания даже у млекопитающих.

Этот механизм состоит из двух компонентов, существование которых тоже было предсказано Хеббом. На ранней стадии речь идет об изменении обмена веществ в клетках. Биохимическая реакция[121] на следующий нервный импульс во время этой фазы становится сильнее, когда импульс повторяется множество раз за небольшой временной отрезок. Усиление на этой стадии является динамическим и может вернуться назад. Но если та же активность повторяется достаточно раз, клетки начинают менять свою форму. У клетки номер два вырастают новые шипики на дендритах, принимающих импульсы от клетки номер один. Аксон клетки номер один соединяется с этими отростками. Усиление становится долгосрочным, а затем и постоянным.

Принцип Хебба описывает кирпичики, из которых сложены воспоминания. Он ничего не говорит о том, насколько эти воспоминания локализированы или рассеяны. Это объясняет его менее известная теория нейронных ансамблей. И ее время наконец пришло.

Представьте, что ученые день за днем сажают крысу в коробку. Она может нажать на педаль и получить героин. Коробка выглядит и пахнет определенным образом, и крыса получает множество впечатлений. Снова включается ассоциативное запоминание: крыса быстро учится связывать эти впечатления с героином во всей их целостности, или контексте. Попав в коробку, она начинает искать педаль. Но когда она научилась добывать героин таким образом, ученые меняют правила игры. Две следующие недели они каждый день сажают крысу в другую коробку. Здесь тоже есть педаль, но при нажатии на нее крысе не достается никакого героина. За пару недель крыса учится чему-то новому: что новая коробка отличается от старой. Смысла нажимать на педаль больше нет, и она прекращает это делать. Через несколько недель ученые снова сажают крысу в старую коробку. Она бежит к педали, которая давала ей героин, и жмет на нее изо всех сил. Память о первой коробке сохранилась. Так же и люди иногда вновь начинают употреблять наркотики, случайно оказавшись не в том месте.

Как человек, сидя в кабинете, без технической возможности проверить эту гипотезу, понял, как работает природа, да еще и в таких деталях?

Можно отключить полученный крысой навык нажимать на педаль, если нанести ей несколько повреждений в небольшой части передней доли мозга. Но сложно сказать, что это означает. Повреждения уничтожают память? Возможно. Но в этой области находятся сотни тысяч клеток. Было бы странно, если бы крыса использовала их только чтобы научиться тому, чего даже нет в ее естественной среде обитания. Разумно предположить, что у этой области должны быть и другие функции. Или же кажущаяся потеря памяти о героиновой коробке является лишь неспецифическим последствием травмы мозга? Этого тоже нельзя исключать. И тогда это наблюдение становится уже не таким интересным.

Но можно взглянуть на это и по-другому. Может быть, лишь несколько клеток в поврежденной области, и притом в уникальной комбинации, составляют след памяти, энграмму, героиновой коробки? И тогда другие накладывающиеся комбинации в этой области могут отвечать за другие воспоминания. Некоторые клетки могли бы даже участвовать в нескольких кодовых комбинациях. На Рисунке 6 вы увидите, как это может работать.

Энграмма – «след памяти».

Ансамбль – пересекающиеся комбинации нервных клеток, которые вместе активизируются и образуют в мозге впечатления, мысли и чувства.

Чтобы разобраться в этом, нужно посадить крысу в героиновую коробку, вынуть из нее мозг и посмотреть на него через микроскоп. Можно окрасить клетки, которые недавно были активны. Их будет видно, и можно будет посчитать. Когда ученые таким образом освежили память крысы о героиновой коробке, а затем препарировали мозг для исследования под микроскопом, они увидели, что активность примерно в 5 % клеток этой маленькой области передних долей мозга. Возможно ли, что эти клетки, разбросанные среди соседок, занимающихся совершенно другими вещами, вместе составляли энграмму? Мы не знаем этого до сих пор. Это выглядело так, будто существует корреляция между активностью этих клеток и тем, что помнила крыса[122].

Чтобы доказать наличие причинно-следственной связи, потребовался эксперимент, долгое время считавшийся невозможным. Нужно было пометить эти клетки в живом, работающем мозге именно в момент активизации воспоминания. И вместо того чтобы убивать крысу и смотреть в микроскоп, ученым нужно было лишь убрать активные клетки и не задеть соседние. И тогда через несколько дней можно было снова спросить крысу, помнит ли она. Если теория верна, она ничего не вспомнит.

Шесть лет назад такой эксперимент провели ученые Брюс Хоуп и Явин Шахам из американского Национального института здоровья (National Institute of Health, NIH). Они использовали генетически модифицированных крыс, в ДНК которых встроили дополнительный ген, который заставлял нервные клетки крысы выделять необычный энзим каждый раз, когда эти клетки активировалась. Энзимы – это химические ножницы. Их задача – разрезать другие молекулы и таким образом их изменять. Но этот энзим был не из крысиного мозга. Он был взят у бактерии, и у крысы такому энзиму нечего разрезать.

Рисунок 6. Ансамбли клеток, которые были активны вместе, укрепляют свои синаптические связи и легче активируются в будущем вместе. Такие распространенные ансамбли являются эффективным способом хранения воспоминаний и понятий, так как нервные клетки могут входить не только в один ансамбль. На Рисунке воспоминаниям о каждом брате соответствует половина клеток в каждом ансамбле. Это надежный способ хранения информации. Даже если кто-то из членов ансамбля выпадет, все равно будет возможно отличить воспоминание о троюродном брате от воспоминания о бабушке.

Брюс предложил использовать выработку бактериального энзима для отключения клеток, которые только что были активны. Для этого он и его коллеги использовали противораковые средства. Эти лекарства неспроста называют клеточным ядом. Их задача – убивать клетки. Ученые использовали молекулу, производную от противоракового препарата, которая обычно не оказывает влияния на мозг. Если она встречается с бактериальным энзимом, он отрезает от нее кусочек, и тогда препарат переходит в активную форму и убивает клетку, в которой произошло изменение. Так появилась возможность отключать ансамбль нервных клеток, которые только что были активны, и не трогать остальные.

Брюс и Явин ввели крысам препарат, а затем воззвали к их памяти о героиновой коробке. По плану должны активироваться все клетки, входившие в ансамбль «героиновая коробка». Они начнут выделять бактериальный энзим, препарат перейдет в активную форму, и клетки погибнут. А их соседки по маленькой области фронтальных долей должны остаться невредимыми. Если теория верна, другие воспоминания не пострадают.

Через несколько дней после введения препарата и активизации памяти ученые снова посадили крыс в коробку, ассоциировавшуюся с героином. Увы, мы не можем спросить крыс, помнят ли они что-нибудь. Но мы увидим, начнут ли они нажимать на педаль при активизации воспоминания. Крысы ничего не помнили[123]. Одно из первых доказательств того, что энграммы памяти состоят из рассеянных нейронных ансамблей, стало свершившимся фактом. Хебб вновь оказался прав.

Стоит с осторожностью относиться к периодически появляющимся революционным результатам исследований. Всегда есть возможность ошибки. И даже если кажется, что результаты верны, остается вопрос, действует ли этот механизм в отношении всех воспоминаний[124]. Вдруг так работают только воспоминания о наркотиках? И лишь год спустя появилось точное доказательство из независимых источников, что нейронные ансамбли действительно представляют собой универсальный код памяти.

На этот раз ученые использовали методику, во многом перевернувшую всю нейронауку последнего десятилетия[125]. Эта методика, оптогенетика, заслуживает отдельной книги. Это результат невероятной изобретательности маленькой группы ученых-новаторов. С начала 1990-х годов они возились с мыслью о том, как сделать реальностью мечту, существовавшую со времен открытия того, что мозг состоит из нервных клеток. Представьте, что у нас есть инструмент для контроля активности в отдельных клетках живого мозга, и мы могли бы нажатием одной кнопки активировать их, а нажатием другой – отключать. Тогда мы действительно могли бы узнать, что делают клетки, а не только измерять их активность и смотреть, с чем она соотносится.

Я могу понять, если все это кажется вам научной фантастикой. Но эта методика с определенными ограничениями действительно существует уже около десяти лет. И на этот раз нам помогли не бактерии. Вместо них применяют модифицированные протеины водорослей. Молекулярно-генетические технологии уже позволяют заставлять клетки производить белки, которые те обычно не синтезируют. Появилась возможность вставлять эти гены в нервные клетки. А протеины, используемые оптогенетикой, еще необычнее – они чувствительны к свету. Поначалу чувствительность к свету не играет большую роль. В мозге темно, и производство опсинов само по себе не имеет никаких последствий. Но ученые могут хирургически вживить оптическое волокно и освещать мозг лазерным светом. При свете определенного цвета протеины активируются. Один из них, в свою очередь, активирует нервные клетки, в которых он был произведен. А другой – отключает их.

Эта методика привела к революции в нейронауке. Я уверен, что стэнфордский психиатр Карл Дейссерот, в лаборатории которого была разработана эта методика, в ближайшие годы получит Нобелевскую премию. Уже получивший ее Судзуми Тонегава в 2012 году опубликовал отчет о сотрудничестве с Дейссеротом его лаборатории в Массачусетском технологическом институте. Ученые использовали оптогенетическую технологию для активизации памяти, а не для ее отключения. На этот раз речь шла о приобретенном страхе. Вместо того чтобы запоминать, что в одной из коробок можно было добыть героин, мыши узнавали, что в одной из них есть риск получить удар током. Когда эта ассоциация сформировалась, достаточно было посадить их в такую коробку, и они замирали от страха. Пока ничего нового – это еще одно ассоциативное научение. Затем ученые использовали свои молекулярно-генетические штучки и заставили клетки, активировавшиеся, когда мыши вспоминали о приобретенном страхе, вновь производить светочувствительный протеин водоросли. Для воспоминания о страхе уже не нужна была коробка – достаточно было включить лазер. Активизировался ансамбль клеток, составлявший это воспоминание, и мыши замирали от страха[126].

Наконец стало проясняться то, что было предметом споров больше ста лет. Представьте себе простенький мозг, состоящий из 302 клеток[127]. Если каждая из них хранит одно воспоминание, места хватит для бабушки и еще нескольких человек. Но если у вас больше родственников, то запомнить каждого из них будет трудно. А ведь нужно место и для других воспоминаний. Если вместо этого мозг будет использовать ансамбли, различные комбинации этих 302 клеток, он сможет хранить больше информации. А точнее, примерно в 10 617 раз больше. Как вы понимаете, отдельные клетки могут входить в множество различных комбинаций, и каждая из них уникальна. Таким образом, памяти хватит на большую семью, и при таком способе хранения информация почти не пострадает, если вы потеряете одну или несколько клеток. Худшее, что может случиться, – вы потеряете способность различать между собой двух дальних родственников. Они и так очень похожи друг на друга, поскольку в ансамблях, хранящих память о них, отличаются лишь несколько клеток. Но вы все равно сможете их узнавать. И вы без труда сможете отличить их от бабушки. Ансамбли, частично совпадающие комбинации нервных клеток, которые активируются вместе, описаны в первом законе Хебба. Когда нервные клетки активны вместе, укрепляются не только отдельные синапсы, но каждый раз, когда вы видите одного из своих родственников, активируется определенная комбинация клеток. Усиливаются все синапсы, прямо и косвенно связывающие их через другие нервные клетки. В конце концов комбинация клеток становится ансамблем, маленьким оркестром нервных клеток, которые активируются одновременно и вместе играют мелодию, являющуюся следом памяти. Скомбинируйте ансамбли, распределенные по всему мозгу, и вы получите ансамбли ансамблей. Ледник тут, россыпь камней там. Воспоминания о чувствах и ощущениях, которые они когда-то вызвали.