Небольшая, группа нейробиологов-энтузиастов возвращается к забытым экспериментам и проводит новые, чтобы выяснить, запоминают ли клетки полученный опыт, что может поставить под сомнение само определение понятие памяти

В 1983 году восьмидесятилетняя учёная-генетик Барбара МакКлинток стояла за трибуной Каролинского института в Стокгольме. Она была известна своей нелюбовью к публичности — почти отшельницей, — но у нас принято, чтобы люди выступали с речью, когда им присуждают Нобелевскую премию, поэтому она, не без труда, рассказала об экспериментах, которые в начале 1950-х годов привели к её открытию того, как последовательности ДНК могут перемещаться по геному. Ближе к концу речи, моргнув сквозь очки в проволочной оправе, она сменила тему и спросила: «Что клетка знает о себе?»

МакКлинток славилась своей эксцентричностью. Тем не менее, её вопрос скорее мог бы задать философ, чем специалист по генетике растений. Далее она описала лабораторные эксперименты, в ходе которых она наблюдала, как растительные клетки реагировали на происходящее «вдумчиво». Столкнувшись с неожиданным стрессом, они, казалось, адаптировались способами, которые «выходят за пределы наших нынешних возможностей понимания». Что клетка знает о себе? По её словам, выяснить это будет задачей будущих биологов.

Сорок лет спустя вопрос МакКлинток не утратил своей актуальности. Некоторые из биологов сейчас усердно работают над тем, чтобы раскрыть значение «знания» для отдельной клетки, ища признаки основных когнитивных явлений — таких как способность запоминать и учиться — как в одноклеточных организмах, так и в ненейронных клетках человека. Наука долгое время считала, что для таких способностей необходимым условием является многоклеточная нервная система, но новые исследования показывают, что и одиночные клетки сохраняют записи о своих опытах — по-видимому, в адаптивных целях.

В провокационном исследовании, опубликованном в Nature Communications в конце прошлого года, нейробиолог Николай Кукушкин и его наставник Томас Дж. Кэрю из Нью-Йоркского университета показали, что клетки почек человека, выращенные в чашке Петри, могут «запоминать» паттерны химических сигналов, еслиподавать последние с регулярными интервалами — явление памяти, общее для всех животных, но до сих пор не наблюдавшееся за пределами нервной системы. Кукушкин входит в небольшую, но полную энтузиазма группу исследователей, изучающих «аневральные», или не требующие мозга, формы памяти. Что клетка знает о себе? На данный момент их исследования показывают, что ответ на вопрос МакКлинток может быть таким: гораздо больше, чем вы думаете.

Обучение без мозга

В нейробиологии долгое время преобладало мнение, что память и обучение являются следствием «синаптической пластичности» мозга. Связи между группами нейронов, одновременно активных во время опыта, укрепляются, формируя сети, сети, которые остаются активными даже после того, как опыт прошёл, увековечивая его в виде памяти. Это явление, описываемое выражением «нейроны, срабатывающие вместе, соединяются вместе» [fire together, wire together], формировало наше понимание памяти на протяжении большей части столетия. Но если одиночные ненейронные клетки также могут запоминать и учиться, то нейронные сети не могут быть полным описанием всего происходящего.

С эволюционной точки зрения, вполне логично, что клетки, не входящие в нервную систему, изменяются под влиянием опыта, который способствует выживанию. «Память — это то, что полезно для всех живых систем, включая системы, которые появились за сотни миллионов лет до появления мозга», — говорит Сэм Гершман, когнитивист из Гарвардского университета.

Бесклеточные слизевики в поисках пищи оставляют химические следы, которые напоминают им, где они уже были. Бактерии сравнивают текущие и предыдущие условия, перемещаясь по химическим градиентам в сторону более благоприятных сред. Гершман предполагает, что эти «более древние формы памяти» могут играть важную, дополняющую роль в синаптической пластичности — настолько, что недавно он добавил к своей деятельности лабораторию для систематического изучения одноклеточного ресничного Stentor coeruleus.

Ресничные могут показаться необычным объектом исследования для когнитивиста, но изучение памяти у этих одноклеточных существ началось ещё в начале 20 века. Зоолог Герберт Спенсер Дженнингс в своей книге «Поведение низших организмов» подробно описал эксперименты с похожим ресничным организмом, S. roeselii, ещё в 1906 году. Эти трубообразные клетки, обитающие в пресноводных прудах по всему миру, прикрепляются к окружающей среде с помощью липкого «захвата» и втягивают плавающие частицы пищи, взмахивая волосковидными ресничками.

В серии экспериментов Дженнингс неоднократно брызгал раздражающим красным красителем на некоторых из этих ресничных простейших, взятых из близлежащего пруда, и наблюдал за реакцией организмов. Сначала он обнаружил, что особи уклонялись от стеклянной пипетки, с помощью которой он дозировал краситель. Если это не помогало избавиться от раздражения, простейшие использовали свои реснички, чтобы плевать водой в пипетку. А если и это не помогало удалить краситель, они резко вжимались обратно в свои захваты. Уклоняться, плевать, прятаться. Установив эту последовательность реакций, Дженнингс решил проверить память S. roeselii, повторив эксперимент после небольшой задержки.

Когда реснитчатые вышли из укрытия примерно через полминуты, они снова столкнулись с красителем. Дженнингс задался вопросом: будет ли S. roeselii снова проходить всю последовательность действий по избеганию, или же организм «изменится под влиянием пережитого опыта»? Другими словами, будет ли клетка учиться? Ответ, который он нашёл, был «особенно интересным». Снова столкнувшись с неумолимым красителем, она сразу же сжалась, пропустив вступительную часть. После последней серии появлений и сокращений инфузория в конце концов устала, подняла крючочки и уплыла, вероятно, в поисках менее вредного места для поселения.

В эпоху Дженнингса доминирующим представлением о поведении одноклеточных организмов было то, что такие организмы, как S. roeselii, движимы «тропизмом», то есть автоматическими реакциями на внешние факторы, такие как свет, химические градиенты и гравитация. Но работа Дженнингса показала, что одноклеточный организм может усилить свою реакцию за короткий промежуток времени, что указывает на то, что он учитывает предыдущий опыт в своих действиях — то есть, по сути, может запоминать.

Stentor roeselii обладает чертами, «поразительно похожими» на черты нейрона, сказал нейробиолог Сэм Гершман. «У ресничных есть возбудимые мембраны, похожие на нейроны, и, что делает их ещё более похожими на нейроны, они обладают потенциалами действия».

Как ни странно, способность запоминать у Stentor была почти забыта. Эксперименты Дженнингса широко считались невоспроизводимыми; в течение следующего столетия исследования в области клеточного обучения регулярно отвергались и даже считались маргинальной наукой. Затем, в 2010 году, коллега Гершмана Джереми Гунавардена заинтересовался этим вопросом. Гунавардена, математик, ставший системным биологом, который до недавнего времени работал в Гарвардской медицинской школе, начал копаться в библиотечных стеллажах и обнаружил, что единственная реальная попытка воспроизвести эксперименты Дженнингса была предпринята в конце 1960-х годов на Stentor coeruleus, совершенно другом организме. Воодушевлённый этой очевидной ошибкой, он сумел убедить аспиранта и одного из своих постдоков присоединиться к нему в многолетнем проекте, над которым они работали по ночам и в выходные, чтобы воспроизвести работу Дженнингса с правильным организмом. Когда их результаты были опубликованы в Current Biology в 2019 году, Дженнингс был оправдан: S. roeselii действительно может «передумать».

Гунавардена и Гершман ведут дискуссионную группу для своих коллег в области клеточного обучения. «Не так уж много людей занимаются этой темой», — говорит Гершман. Они также увлекаются историей; в их статьях часто встречаются бережно сохранённые портреты оклеветанных учёных, которых эта работа теперь реабилитирует. Реабилитировав Дженнингса, они перешли к менее известной Беатрис Гелбер, иконоборческой учёной, которая в 1960-х годах покинула свою должность в Чикагском университете после того, как заявила, что «обучила» другого одноклеточного ресничного организма, парамецию, связывать непокрытый металлический провод с пищей — создала что-то вроде чашки Петри Павлова. Строгая работа Гелбер — одно из немногих исследований ассоциативного обучения в одноклеточных организмах. Как и в случае с Дженнингсом, Гунавардена считает, что её уволили в своё время в основном по идеологическим причинам; её обученные парамеции опровергали господствующее в науке мнение, согласно которому клетки не могут учиться.

Теперь, по его словам, мы знаем больше.

Точка зрения клетки

Если внутриклеточный механизм памяти существует у безмозглых одноклеточных организмов, то, учитывая его преимущества, вполне возможно, что мы унаследовали его в той или иной форме. Все эукариотические клетки, включая наши собственные, ведут свою эволюционную историю от свободноживущего предка. Это наследие отражается в каждой нашей клетке, связывая нашу судьбу с обширным миром одноклеточных организмов, где такие существа, как простейшие, справляются с угрозами, ищут помощи и прокладывают себе путь от жизни к смерти.

Большинству из нас трудно выйти за пределы своего субъективного, интроспективного опыта, чтобы представить, как может выглядеть память такой клетки. Но для Николая Кукушкина, который получил образование молекулярного биолога, это не составляет труда. «Когда я закрываю глаза, я оказываюсь внутри клетки», — сказал он во время видеозвонка из своей лаборатории в Центре нейробиологии Нью-Йоркского университета.

Кукушкин объяснил, что всё существование клетки происходит в тёплой темноте многоклеточного организма. С этой точки зрения, то, что мы называем «опытом», представляет собой последовательность химических веществ, расположенных во времени: питательные вещества, соли, гормоны и сигнальные молекулы из соседних клеток. Эти химические вещества влияют на клетку по-разному — например, вызывая молекулярные или эпигенетические изменения — и с разной скоростью. Всё это влияет на то, как клетка реагирует на новые сигналы. На уровне клетки, по мнению Кукушкина, именно это и есть память: воплощ��нная реакция на изменения. Нет разницы между памятью, запоминающим устройством и актом запоминания. «Для клетки, — сказал он, — это всё одно и то же».

Чтобы прояснить эту идею, Кукушкин недавно решил попытаться найти в клетке особенность памяти, общую для всех животных, впервые описанную немецким психологом Германом Эббингаузом в 1885 году. Эббингауз сам был своим подопытным кроликом: он потратил годы на запоминание и повторное запоминание списков бессмысленных слогов, чтобы измерить свою память. Он обнаружил, что ему легче запоминать последовательности слогов, когда он распределяет сеансы запоминания по времени, а не изучает всё сразу — это «эффект интервала», который должен быть знаком любому, кто когда-либо зубрил перед экзаменом и понимал, что нужно было начать учиться раньше.

С тех пор как Эббингауз обнаружил эффект интервала, он «доказал, что этот эффект является одним из самых незыблемых свойств памяти у многих различных животных», — написал Кукушкин в недавней статье. Это настолько распространённое явление — встречающееся у таких разных форм жизни, как люди, пчёлы, морские слизни и плодовые мушки, — что Кукушкин задался вопросом, не распространяется ли оно на клеточный уровень. Чтобы это выяснить, ему нужно было измерить, насколько ненервные клетки реагируют на интервальные химические паттерны.

Кукушкин и его коллеги начали с выращивания человеческих почечных клеток и незрелых нервных клеток в изоляции. Затем они попытались имитировать то, что им было известно о химическом «опыте» нейронов. Их ключевой инновацией стал способ измерения внутренних реакций этих клеток на химические сигналы с помощью последовательности ДНК, которая является частью многих сигнальных путей клеток, в том числе используемых нейронами, и называется «элементом ответа cAMP» [cAMP response element], или CRE. В эксперименте этот ген был посредником для памяти. С помощью инженерных методов они заставили обе клеточные линии производить светящийся белок при каждой активации CRE, что позволило им измерить, когда клетки формировали память и как долго эта память сохранялась.

Исследования различных организмов, таких как бесклеточные слизевики, которые оставляют химические следы, и плоские черви, которые реагируют на тренировку после обезглавливания, показывают, что клетки, не являющиеся нейронами, записывают свои переживания.

Затем, в процессе, который Кукушкин описал как утомительную хореографию регулярного использования пипеток, они подвергали клетки точно рассчитанным по времени всплескам химических веществ, имитирующим всплески нейротрансмиттеров в мозге. Команда Кукушкина обнаружила, что как нервные, так и почечные клетки могли точно различать эти паттерны. Непрерывный трёхминутный импульс активировал CRE, заставляя клетки светиться в течение нескольких часов. Но такое же количество химических веществ, подаваемое в виде четырёх более коротких импульсов с интервалом в 10 минут, освещало чашку Петри более суток, что указывает на длительный импринтинг — то есть, на память.

Открытия Кукушкина предполагают, что клетки, не относящиеся к нейронам, могут считать и распознавать паттерны. Хотя они не могут делать это со скоростью нейронов, они что-то запоминают, и, по-видимому, запоминают стимул на более длительный срок, когда он подаётся с интервалами — характерная черта формирования памяти у всех животных.

Интуитивно это имеет смысл, сказал Гершман. С точки зрения клетки или любой другой живой системы, демонстрирующей эффект интервала, интервальная информация является свидетельством довольно стабильной, медленно меняющейся среды: устойчивого мира. С другой стороны, массивная информация — однократный всплеск химических веществ или ночная зубрёжка — может представлять собой случайное событие в более хаотичной среде. «Если мир меняется очень быстро, следует быстрее забывать вещи, потому что то, что вы узнали, будет иметь более короткий срок годности», — сказал Гершман. «Позже они не будут так полезны, потому что мир изменится». Эта динамика так же важна для существования клетки, как и для нашего.

Кукушкин, который недавно стал называть себя «молекулярным философом», почти уверен, что его выводы были бы такими же, независимо от типа используемых клеток. «Я принимаю ставки на любую любимую клеточную линию, демонстрирующую эффект интервала», — сказал он. «Я думаю, что по умолчанию следует исходить из того, чт�� память — это непрерывный процесс, что все эти отдельные клетки запоминают, что растения запоминают, что нейроны и все виды клеток запоминают одинаково. Бремя доказательства не должно заключаться в том, чтобы доказать, что это одно и то же. Бремя доказательства должно заключаться в том, чтобы доказать, что они отличаются».

Гершман согласен. «В мозге динамика [памяти] касается нейронов, которые передают сигналы друг другу: это многоклеточное явление», — сказал он. «Но в одной клетке, возможно, мы говорим о динамике внутри клетки молекул в разных временных масштабах. Различные физические механизмы могут приводить к общему когнитивному процессу, подобно тому, как я могу использовать ручку, карандаш, пишущую машинку или компьютер, чтобы написать письмо».

В конце концов, важно именно само письмо, то есть память.

Структурная предвзятость

По словам Гунавардена, одна из причин, по которой наука не спешит признать существование памяти на клеточном уровне, носит социологический характер. Открытия ранних исследователей, таких как Дженнингс и Гелбер, были забыты, поскольку не соответствовали господствующим в то время теориям: открытие Дженнингсом памяти у Stentor противоречило догме «тропизмов», которая вдохновила бихевиористскую психологию, доминировавшую в эпоху Гелбера. Обе эти точки зрения предполагали, что живой мир населён биологическими автоматами, циклически повторяющими заранее запрограммированные реакции. Клетки, способные учиться и адаптироваться, не вписывались в такие модели.

«У всех нас есть свои идеологии, — сказал Гунавардена, который сейчас работает в Университете Помпеу Фабра в Барселоне. — Это естественная часть того, как люди взаимодействуют с миром. ... В науке мы сильно недооцениваем, насколько важны эти предубеждения для организации научных сообществ и определения того, что считается надлежащей и ненадлежащей наукой».

Это также вопрос семантики. Как и все важные термины, «память» — понятие многозначное, неточное и по-разному определяемое в разных дисциплинах. Для специалиста по информатике она означает одно, для биолога — другое, не говоря уже обо всех остальных. «Когда вы спрашиваете обычного человека, что такое память, он думает об этом интроспективно, — говорит Кукушкин. — Он думает: „Ну, я закрываю глаза и вспоминаю вчерашний день, и это память“. Но это не то, что мы изучаем в науке».

В нейробиологии, пишет Кукушкин, наиболее распространённое определение памяти — это то, что остаётся после опыта, чтобы изменить будущее поведение. Это поведенческое определение; единственный способ измерить его — наблюдать за будущим поведением. Вспомните, как S. roeselii возвращается в своё крепление, или как лабораторная крыса замирает при виде электрифицированного лабиринта, в котором она уже запутывалась раньше. В этих случаях реакция организма является подсказкой того, что предыдущий опыт оставил неизгладимый след.

Но является ли память памятью только тогда, когда она связана с внешним поведением? «Считать так, по-моему, неоправданно, — сказал Кукушкин. — Я понимаю, почему исторически было решено именно так, потому что [поведение] — это то, что можно легко измерить, когда работаешь с животными. Я думаю, что поведение сначала было чем-то, что можно было измерить, а затем стало определением памяти».

Поведение говорит нам о том, что память сформировалась, но ничего не говорит о том, почему, как и где. Кроме того, оно ограничено масштабом. Возьмём, к примеру, Aplysia californica, мускулистую морскую улитку с огромными нейронами (самый большой из них размером примерно с букву на американской монете в один цент). Нейробиологи любят проводить эксперименты по памяти на Aplysia, потому что её физические реакции легко измерить — потрогайте её, и она вздрогнет — и они чётко соотносятся с несколькими вовлечёнными сенсорными и моторными нейронами.

По словам Кукушкина, морская улитка может усложнить ситуацию с поведенческой предвзятостью в нейробиологии. Допустим, вы ударили её по хвосту, вызвав защитный рефлекс. Если на следующий день вы ударите её снова и обнаружите, что защитный рефлекс стал сильнее, чем раньше, это поведенческое доказательство того, что улитка помнит первоначальный удар. Любой нейробиолог свяжет это с памятью.

Но что, если (извините за неприятные подробности) разрезать эту морскую улитку и оставить только его неподвижные нейроны? В отличие от неповреждённого существа, нейроны не могут сокращаться, поэтому видимой реакции не будет. Память исчезла? Конечно, нет, но без внешней проверки поведенческое определение памяти теряет смысл. «Мы больше не называем это памятью, — сказал Кукушкин. — Мы называем это механизмом памяти, мы называем это синаптическим изменением, лежащим в основе памяти, мы называем это аналогом памяти. Но мы не называем это памятью, и я думаю, что это неоправданно».

Возможно, определение памяти должно выходить за рамки поведения и охватывать больше записей о прошлом. Вакцинация — это своего рода память. То же самое и шрам, и ребёнок, и книга. «Если вы оставляете след, это память», — сказал Гершман. Интерпретация памяти как физического события — как следа, оставленного в мире или на себе — будет охватывать биохимические изменения, происходящие внутри клетки. «Биологические системы эволюционировали, чтобы использовать те физические процессы, которые сохраняют информацию, и использовать их в своих целях», — сказал Гершман.

Итак, что клетка знает о себе? Возможно, более точным вариантом вопроса Барбары МакКлинток будет: что клетка может запомнить? Когда речь идёт о выживании, то, что клетка знает о себе, не так важно, как то, что она знает о мире: как она использует информацию о своём опыте, чтобы определить, когда нужно уступить, когда бороться, а когда бежать.

Клетка сохраняет информацию, которая обеспечивает её существование. И в некотором смысле мы делаем то же самое. Сегодняшние исследователи клеточной памяти, возвращаясь к заброшенным экспериментальным направлениям прошлого, также обнаруживают, что память зависит от контекста, что социологическая среда науки может определять, какие идеи сохраняются, а какие забываются. Будто бы область науки пробуждается от 50-летней амнезии. К счастью, иногда воспоминания возвращаются.