Принимать решения на том или ином уровне приходится не только человеку, но и практически любому животному — от беспозвоночных до млекопитающих. Однако свидетельствует ли это о наличии сознания?
Как вообще можно определить понятия «сознание», «интеллект» применительно к животному миру?
Об этом интервью с доктором биологических наук, членом-корреспондентом РАН, директором Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН (2005—2018) Павлом Милославовичем Балабаном.
Я не люблю употреблять термин «сознание», потому что для него на данный момент нет точного определения. Если оно появится и будет принято всеми, тогда мы сможем проверить экспериментально, есть сознание или нет. Тем не менее применительно к животным мы сегодня можем оперировать довольно четкими понятиями: эмоции, память, способность к обучению, принятию решений.
Сейчас никто не сомневается в том, что животные способны принимать решения, передавать информацию. Даже пчела прилетает к другим пчелам, что-то показывает, и все они летят прямо к источнику пищи. Можно сказать, что пчелы приняли решение лететь в определенном направлении.
Что же означает «принятие решения» применительно к беспозвоночным и каков его механизм?
Существует определенный класс нейронов — нейроны, принимающие решения (decision neurons), или командные нейроны. У беспозвоночных они называются командными, потому что действительно «командуют» несколькими сотнями других нейронов, называемых мотонейронами. И если мы замечаем активацию командного нейрона, то за этим последует совершенно конкретное поведение. Например, командные нейроны у рака были впервые описаны в 1950-е гг., они определяют всем известные случаи, когда рак начинает быстро уплывать хвостом вперед.
У улитки наша группа обнаружила аналогичные командные нейроны, у них генерация всего нескольких потенциалов действия вызывает втягивание щупалец, и улитка прячется в раковину — ее стандартная реакция почти на любой стимул.
Или, например, у рыбки тоже обнаружены командные нейроны, определяющие принятие решения: когда сбоку от нее проплывает хищник, она делает определенное движение — резко перемещается на другую траекторию движения, и хищник промахивается.
У позвоночных этот принцип, естественно, тоже работает. У высших позвоночных, млекопитающих, эти командные нейроны очень хорошо показаны в контроле движения глаз. Есть такие нейроны, которые активируются до того, как глаза начнут двигаться, то есть они принимают решение, и точно будет саккада— быстрое, точно согласованное движение глаз.
Действительно ли это принятие решений? Или просто заданная программа на уровне некоего генетически запрограммированного рефлекса?
Конечно, это программа, и она обусловлена различными механизмами, включая молекулярные. Но она либо включается, либо не включается. Существуют элементы, паттерны активности сети, которые предупреждают: «Программа сейчас включится» — и включают ее, или «Она не включится» — и нет запуска.
Понятие «принятие решения», конечно, условное; по сути, это преодоление порога. Но при системных процессах, характеризующих поведение, действуют нейроны, которые конкретно представляют собой пороговые элементы. И если они по любой причине сработали, а у них очень много разных модальностей, это вызовет определенное поведение.
Важно отметить, что подобные механизмы характерны только для нервной клетки. Ни в одном другом типе клеток этого нет, там есть мембранный потенциал, а импульса не может быть, потому что действуют другие каналы. А в нервной клетке каждый раз принимается решение; возбуждение достигло порога — сработало, и в сеть посылается информация, не достигло — не сработало.
Насколько я знаю, ваша кандидатская диссертация, написанная еще в 1970-е гг., так н называлась: «Принципы принятия решений в нервной системе у беспозвоночных». Вы уже более 40 лет в этой теме, н основная ваша модель — улитка. Почему? Что в ней удивительного?
Моя история в науке началась, когда я пришел к своему научному руководителю — выдающемуся биологу Е.Н. Соколову — и сказал; «Вы мне дали задание простимулировать нейроны у улитки и изучить реакцию. Я все время наблюдаю: у мотонейронов всегда есть активность и происходят какие-то сокращения мышц, а сенсорные нейроны молчат и ждут стимула, ничего не происходит. При этом мы обнаружили несколько интернейронов и если их активировать, происходит целостная поведенческая реакция— улитка втягивает щупальца. И это одиночные нейроны!» Он был в шоке, честное слово...
Это было открытие?
Можно так сказать. Считалось, что роль одного нейрона очень мала. Мы стали подробно обсуждать этот эксперимент, и Евгений Николаевич вспомнил гипотезу командных нейронов: что где-то в линейной цепочке нейронов должен быть центр принятия решений — комбинация нейронов или отдельный нейрон. Мы начали проверять эту гипотезу. Сейчас это уже давно не гипотеза — существование командных нейронов, или нейронов, принимающих решения, доказано. У позвоночных это уже не отдельные нейроны, а целые кластеры. Да и у некоторых беспозвоночных тоже — например, у улитки девять таких нейронов. Оказалось, что это достаточно универсальный принцип управления. Поэтому со способностью и механизмами принятия решений животными ученые более или менее разобрались. А вот с эмоциями гораздо сложнее.
Несколько десятилетий назад спорили о том, есть ли у животных эмоции в нашем понимании. Но сейчас, мне кажется, с этим уже никто не спорит.
В 1980-е гг. директором нашего института был академик П.В. Симонов, который занимался именно этой проблемой. Мы с ним часто разговаривали, и я как-то спросил; «Павел Васильевич, а что мы могли бы на беспозвоночных, на улитках сделать интересного в этом плане?» И он сразу ответил (видимо, много думал об этом); «Докажите, есть ли у них эмоции». Это тот же вопрос, который задает и Далай-лама (наличие эмоций у животных— важная часть концепции буддизма).
А как мы определим эмоции? Дайте ваше определение.
Вот! Я то же самое сказал Павлу Васильевичу; «Дайте определение эмоций, и я тогда попробую».
Он развивал теорию эмоций в 1960-1970-х гг. и вывел определение-формулу, согласно которой эмоция есть отражение мозгом человека и животных какой-либо актуальной потребности (ее качества и величины) и вероятности (возможности) ее удовлетворения, которую мозг оценивает на основе генетического и ранее приобретенного индивидуального опыта. То есть поведение живых существ направлено к минимизации воздействий, способных вызвать отрицательные эмоции, и к максимизации положительных эмоциональных состояний.
Но это касалось в основном высших животных, а как выражаются эмоции у беспозвоночных? Мы упростили это понятие до уровня «нравится — не нравится»; если нравится, то животное стремится повторить определенное движение, действие или какое-то поведение, а если не нравится, то после первого опыта повтора не происходит. У простых видов это можно определить по приближению к источнику чего-то или удалению от него.
Сейчас так обучают червячков Caenorhabditis elegans: им в чашку Петри капают некий концентрированный химический градиент, и если он им нравится, червячки перемещаются к нему, а если нет — остаются на месте или, наоборот, удаляются. Основная проблема в том, что чаще всего эти запахи или любые воздействия связаны с какими- то физиологическими потребностями. Например, голодное животное отправится в сторону пищи, и это никак не связано с эмоциями. Это мы и обсудили с академиком П.В. Симоновым, и он сказал, что единственный критерий эмоционального поведения, который мы можем задействовать, — это феномен самостимуляции. Если вы поместите электрод в определенную зону мозга животного и дадите животному возможность самому подавать туда стимуляцию, совершая определенное движение, тогда, если центр удовольствия существует, животное будет стремиться повторять и повторять это действие.
На крысах это было замечательно показано канадскими нейробиологами Джеймсом Олдсом и Питером Милнером еще в 1957 г.. Они обнаружили, что электростимуляция рострального гипоталамуса (центра удовольствия) у крыс может выступать в качестве награды за поведенческие действия. Эта работа стала классической и оказала влияние на множество исследований в области нейробиологии обучения и памяти.
После этого многие исследователи работали с крысами: центр удовольствия — гипоталамус, центры неудовольствия тоже хорошо известны. Один раз крыса нажмет на педаль и уже больше никогда к ней не приблизится, потому что неприятно. И, наоборот, воздействуя на центр удовольствия (как оказалось, их в мозге несколько), животное забывает о питье и еде — сидит и нажимает на педаль. Это показатель того, что у животных существуют эмоции, которые могут быть выше голода и жажды.
Но крысы все-таки животные очень высокого уровня организации. А как показать данное свойство у беспозвоночных, у рыб?
Начну с предыстории. В 1980-е гг. я некоторое время работал в Канаде в том самом университете, где совершили свое открытие Олдс и Милнер. И Питер Милнер, первооткрыватель самостимуляции, пришел на мою лекцию! После лекции я поделился с ним идеей провести подобный эксперимент на улитках, и он согласился. Под его надзором мы за два месяца сделали работу, которая была (и до сих пор остается) единственным исследованием на беспозвоночных с самостимуляцией центров удовольствия.
Нам удалось вживить улитке электрод, вывести разъем и замкнуть цепь таким образом, что когда животное прикасалось головой к определенному устройству— педальке, оно получало импульс. Оказалось, что если вживить эти электроды в центр, связанный с размножением, то она будет вести себя в эксперименте точно так же, как крыса, — повторять это движение снова и снова. А если вживить электрод буквально в соседнюю часть мозга — ганглий, который связан с негативными, болевыми ощущениями, то улитка один раз дотронется до педальки и больше к ней не прикоснется. То есть у беспозвоночных тоже есть центры, которые можно назвать центрами удовольствия. Потом оказалось, что в нейронах этих центров вырабатываются энкефалины— опиоидные нейропептиды, обладающие морфиноподобным действием. Это можно было бы предположить, но мы обнаружили их случайно, и потом, когда начали специально исследовать, где экспрессируются эти эндогенные морфины, оказалось, что именно в центре, связанном с половым размножением.
Сколько подобных нейронов у улитки?
Двести. И это совсем немного— из 20 тыс. основных нейронов. Это небольшая область. Известно, где она расположена, и всегда было известно, что она связана именно с размножением. По морфологии она иннервирует в том числе и половые органы. Кстати, наши эксперименты были повторены в Аргентине на крабах.
Но можно ли это назвать эмоцией?
А почему нет? Если животное стремится повторять какое-то ощущение снова и снова, значит это ощущение, если оно не связано с определенными физиологическими потребностями, доставляет ему удовольствие. Ему это просто нравится. Это— эмоция. А в соседней области, где как раз расположены командные нейроны оборонительного поведения (куда мы тоже, естественно, вживили электроды), она один раз получает стимул и все — больше ей не нужно, улитка активно пытается обойти это препятствие— «ложится на другой курс».
Но это же просто реакция на боль...
Это не боль, болевые рецепторы расположены отдельно. Здесь действуют не ноцицептивные нейроны (рецепторы боли), а совсем другой вид нейронов — интернейроны, которые как раз участвуют в принятии решения об оборонительном поведении— отдергивании, остановке, уходе от объекта. А в половом поведении нейроны как раз принимают решения и заставляют организм двигаться к объекту— они же должны встретиться в природе.
Действительно, отделить эмоции от физиологических потребностей очень сложно. Эмоции — тоже физиологическая потребность любого организма: они всем нам нужны, причем желательно позитивные. До сих пор нет полного понимания механизмов эмоций, нейронной сети, которая формирует их у беспозвоночных. Похоже, это больше связано с выделением гормонов, тех же энкефалинов, с балансом серотонина и дофамина.
Позже мы провели исследования на беспозвоночных по действию каннабиноидов (марихуаны), и оказалось, что эти вещества также участвуют в организации поведения животного, но совершенно на другом уровне. Это тоже в каком-то смысле эксклюзивная работа, потому что существует не так много исследований беспозвоночных, связанных с высшими формами поведения. Нам удалось показать, что каннабиноиды действительно присутствуют в нервной системе беспозвоночных (как и у нас с вами), они продуцируются, но вступают в действие только в тех случаях, когда происходит очень сильная активация нервной системы. Вот тогда они выделяются и выполняют тормозящее, охранительное действие, чтобы не было перевозбуждения.
Сейчас вы занимаетесь в основном исследованиями памяти у беспозвоночных. Почему вы перешли от эмоций к памяти?
С памятью значительно легче работать, потому что в эксперименте ее сравнительно просто определить, на нее можно оказывать определенные воздействия, ее можно регулировать. Например, с подачи члена-корреспондента РАН К.В. Анохина, руководителя лаборатории нейрофизиологии памяти НИИ нормальной физиологии им. П.К. Анохина, в нашем институте были проведены исследования по «стиранию памяти» у беспозвоночных. Нам удалось не только добиться результата, но и показать механизм.
Оказалось, что если сделать животному напоминание (провести активацию или реактивацию памяти) на фоне блокады синтеза новых белков, то на следующий день эта память исчезает. Исчезает именно та информация, которую «напомнили» в тот момент, а остальная память сохраняется. Животное не помнит, что его били током в определенном месте или был какой-то неприятный звук, подкрепляемый током, или неприятный запах и т.д., — память исчезает.
Мы начали этим заниматься с начала 2000-х гг., и тогда не понимали, почему стирание памяти происходит именно при напоминании, если в этот момент блокировать синтез новых белков, и при каких еще условиях это может происходить. Как выяснилось, эти условия всем известны. Знаете, когда происходит амнезия? Например, человек получил удар по голове и впоследствии не помнит, что происходило за два часа перед ударом. Удар вызывает выброс многих нейромедиаторов, производство оксида азота (известно, что при черепно-мозговой травме выделяется большое количество оксида азота в нервной системе) — и на следующий день памяти нет. Мы не знали про оксид азота, но посмотрели, каким образом это происходит, пошли к биохимикам и спросили: понятно, что формирование памяти зависит от новых белков, а что делать, если нужно быстро разрушить эти белки, не обязательно до конца, а просто изменить их функцию? Ответ был такой: только одним способом— добавить вереду оксид азота. У нас как раз в конце 1990-х гг. вышла работа по МЗ-синтезирующим нейронам на млекопитающих. Все знали, что оксид азота образуется, но не понимали зачем. Это свободный радикал, и считалось, что он действует в качестве сигнала для соседних клеток. Правда, оказалось, что он существует всего секунды, очень быстро метаболизируется и исчезает.
И тогда мы внимательно посмотрели, что происходит в синапсе, изменения в котором служат основой для формирования какого-то следа памяти. Итак, мы повторили на улитках все эксперименты, которые были сделаны К.В. Анохиным на цыплятах, потом на крысах. Реактивировали память, блокировали синтез белка и наблюдали, как на следующий день память исчезает. Причем у нашей модели — улитки — очень удачная и достаточно простая поведенческая ситуация: можно количественно измерить (!), что память исчезла полностью. Именно не уменьшилась или увеличилась, а исчезла!
Мы сделали следующий шаг и в эксперименте во время напоминания и блокирования синтеза ключевых белков одновременно блокировали и синтез оксида азота. Оказалось, что в этом случае стирания памяти не происходит. Этот феномен доказывает, что оксид азота совершенно точно участвует в исчезновении памяти. Мы опубликовали результаты исследований в международных журналах в 2014-2016 гг.
Подытожу: избирательная, ассоциативная память (в данном случае память на обстановку, когда животное получало воздействие током) полностью исчезала, если блокировать синтез белка. И, наоборот, она сохранялась, тоже полностью, если одновременно с блокировкой синтеза белка еще блокировать и синтез азота. То есть нам фактически удалось натолкнуться на химический механизм стирания и сохранения памяти. Молекулярный механизм оказался достаточно простым, потому что фермент, который производит оксид азота, прямо сцеплен с белками постсинаптической мембраны, одним из основных рецепторов, который пропускает кальций, и первое, что активируется кальцием, — оксид азота. Дальше оксид азота связывается со всеми белковыми молекулами, расположенными рядом. А рядом располагается один из ферментов, который управляет эффективностью работы синапса — протеинкиназа М-зета {РКМ£), которая формируется именно там и нигде больше не задействована. А на что может действовать оксид азота? Как раз на РКМ£ — это и есть механизм пластичности нервной системы, стирания памяти. Так мы постепенно перешли в нашей работе на следующий уровень.
В чем он состоит?
Он связан с обучением. Я рассказал о молекулярных механизмах работы синаптической связи— с моей точки зрения, они очень красивы. Но роль одного синапса не просто ничтожна, она вообще не видна, потому что в нервной системе одного человека синапсов больше, чем звезд в галактике. У каждого нейрона около 10 тыс. синапсов, и даже если 100 из них изменятся, в процентном соотношении это очень мало.
Существует совершенно другой уровень регуляции. Можно провести такую аналогию: есть миллионы солдат, без них война не происходит, но управляют ими в другом месте, в штабе. Оказалось, что у нервной системы, у нервной клетки механизм управления (как и ожидалось) находится в ядре. За последнее время были обнаружены довольно простые регуляторы работы нервной клетки, которые одновременно могут (из штаба) регулировать практически все синапсы или большую их часть.
Но это не генетические механизмы. Почему? Потому что при формировании памяти наш геном не меняется, и это точно известно. Геном получен от родителей, и какие гены у нас есть, такие и есть. Но уровень их экспрессии, работы меняется очень сильно. Он регулируется в течение всей нашей жизни, и при формировании памяти это один из этапов регуляции эффективности работы генетической системы в каждом нейроне. Каждый нейрон имеет свою особенность, у каждого есть свой профиль, паттерн экспрессии генов. Что отличает клетку кожи, которая имеет такой же геном, что и нервная клетка? У клетки кожи работает около 8% генов, а в нервных клетках — до 80%. Если усилить или подавить их экспрессию, изменив, например, баланс генов, отвечающих на образование серотонина, мы получим совершенно другую клетку.
Для меня сейчас самый большой научный интерес — управление эпигенетическим механизмом. Первые результаты в этом направлении нас поразили— они касаются обучения. Из 100 животных, которых мы обучаем, в среднем 15-20% ничему не учатся, и это норма в данных условиях. Обычно, если провести аналогию со школой, их называют «плохими учениками». Мы их просто отставляем в сторону: ну не учатся, по каким-то причинам у них плохие показатели — или гормональные, или есть предыстория (улитка упала и ушиблась). В этом году у нас было мало животных, и около 60 оказались «плохими учениками».
Мы ведь сейчас об улитках говорим?
Да, об улитках. И мы ввели этим «плохим ученикам» вещества, активирующие экспрессию генов, — эпигенетические регуляторы, влияющие на различные когнитивные функции иногда позитивно, иногда негативно. Это довольно простые вещества, которые попадают напрямую в ядро клетки и управляют экспрессией генов обычными химическими реакциями: ацитилированием, метилированием и т.д. Оказалось, что однократное введение «плохим ученикам» такого регулятора всего на 30 минут (до этого животных безуспешно тренировали в течение десяти дней) способствовало тому, что на следующий день у них резко улучшалась память. Видимо, прежде память у них просто не могла закрепиться.
Тогда мы продолжили эксперимент и ввели тот же эпигенетический регулятор «хорошим ученикам». Нас ждало разочарование — у них ничего не происходило, а у некоторых память даже несколько ухудшилась. Это очень важный результат, который показывает, что мы не можем бесконечно улучшать свою память и способности и что существует определенный максимум.
Сейчас мы пытаемся понять, как происходит эта регуляция. Скорее всего, она может быть применима и к хранению памяти. То есть если мы открываем окно для эпигенетической регуляции, память можно изменить. Только в эти моменты может действовать в том числе и оксид азота. Мы знаем, что для консолидации, реконсолидации памяти нужно всего четыре часа, а потом, что бы вы ни делали, какие бы блокаторы ни применяли — ничего не поможет. А вот возможность ее изменения. похоже, открывается как раз с помощью этих эпигенетических регуляторов.
Объясните, пожалуйста, наглядно механизм действия этих регуляторов.
Они дают возможность измениться уровню экспрессии данного гена. Вот есть определенный уровень экспрессии— производится 100 молекул. Есть эпигенетический регулятор, который повышает экспрессию, и есть другой, который понижает. Например, вместо обычных 100 молекул благодаря действию регулятора будет производиться 200 молекул, предположим, серотонина, что в корне изменит состояние организма.
Если это понижающий экспрессию регулятор, будет 50 молекул — вообще получится другой организм. Но такие возможности открываются только на время действия регуляторов — небольшой промежуток времени: десятки минут, часы.
А если вместо эпигенетического регулятора вы введете либо дополнительный серотонин, либо, наоборот, какое-то вещество, блокирующее его образование, — получится то же самое или нет?
Мы недавно отправили в печать статью как раз на эту тему. В одном случае мы заблокировали серотонин и память исчезла. А в другом — искусственно увеличили его синтез, чисто биохимически, без регулятора, эпигенетики, и получилось, что даже полностью погасшая память может восстанавливаться. То, о чем вы спросили, мы делали один в один — все получилось замечательно.
Тогда зачем действовать так сложно — с помощью эпигенетического регулятора?
Чтобы регулировать процесс естественным образом. Регуляторы нужны, чтобы вырабатывались вещества, которые могут воздействовать на определенные когнитивные процессы. Проблема на сегодня только в одном: когда мы даем регуляторы, они воздействуют на все гены, а мы хотим, чтобы они воздействовали только на конкретные гены. Мы пытаемся понять и воспроизвести путь, с помощью которого этого достигает природа. Она, по-видимому, умеет делать так, чтобы воздействие оказывалось только на гены серотонина, потому что память образуется и исчезает: она пластифицируется, ее можно изменить.
Если вся эта долгая и сложная работа получится, что это даст?
Мы пытаемся найти пути регуляции уровня памяти, и если найдем, то в первую очередь сможем предсказать, в каких условиях и при каких воздействиях можно улучшить образование памяти для «плохих учеников». Потому что, повторю, эпигенетические регуляторы — естественные, это не грубое химическое воздействие. Бутират натрия, который мы применяли, всего на одну молекулу отличается от гамма-аминомасляной кислоты — основного тормозного медиатора в нашей нервной системе. Теоретически это вещество может образовываться в нашем организме, и оно — очень эффективный эпигенетический регулятор. Возможно, мы найдем пути активации памяти и наоборот, поймем, при каких условиях блокируется образование памяти. Мы точно докажем, что, фигурально выражаясь, если ученику дать линейкой по голове (что, к сожалению, практиковали некоторые учителя), никакой новой памяти у него образоваться не может, кроме отвращения, которое будет стойким.
Если это уже делается на крысах и других млекопитающих, для чего нужно повторять эксперименты на улитках? Что это дает для того, чтобы в конце концов прийти к человеку?
Трудоемкость работы на улитках примерно в десять раз ниже, чем на крысах, а по цене — в сотни раз ниже, при этом молекулярные механизмы очень похожи. Оказалось, что, например, сложный белковый фермент протеинкиназа М-зета у человека, крысы и улитки совпадает на 80-90%. Специфические механизмы пластичности памяти, которые недавно обнаружены, оказались в эволюции очень консервативными. Поэтому как раз на молекулярном уровне мы можем изучать эти механизмы, используя улиток, а на системном, конечно, нет.
У улитки мало нервных клеток, хорошо изучены нервные сети, и мы знаем, какие между ними существуют связи, можем все проверить на уровне одного синапса. У нас есть модель ассоциативного обучения — на уровне трех нервных клеток, мы контролируем каждую и можем регистрировать ассоциативные изменения синаптических связей. На позвоночных это принципиально невозможно сделать, потому что у них слишком много нейронов.
А есть сравнительные работы, которые раскрывали бы этот консервативный эволюционный механизм памяти?
Есть, но они сейчас ведутся главным образом в нескольких лабораториях: Тодда Сактора, первооткрывателя РКМС, в Университете штата Нью- Йорк; Дэвида Гланцмана в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе; и наша — третья. Любое событие в жизни высших животных, в том числе и человека, оставляет свой отпечаток в его памяти, точнее, физический след в протоплазме. Носителями этой информации в частности выступают молекулы РНК, которые выполняют массу различных функций, включая регуляцию многих клеточных процессов. Команда Гланцмана по этой причине избрала именно молекулу РНК для своих экспериментов с «переносом памяти» между живыми существами. А объектом их исследования стали морские моллюски вида Aplysia californica. У нас с ним уже очень давно работы идут параллельно — мы дружим и обмениваемся данными с 1980-х гг. В этом году Гланцману удалось опубликовать результаты исследований по «переносу памяти»: он взял обученную улитку, выделил у нее гемолимфу (аналог крови, то же самое, что и спинномозговая жидкость у человека), затем ввел необученным улиткам, и по их поведению можно было судить, что воспоминания сохранились.
Как это возможно?
Прежде многие исследователи пытались «перенести» память с помощью белков, но без четкого результата. Никто не задумывался о том, что можно задействовать микро-РНК, потому что она очень нестабильна в растворе. Но оказалось, что все-таки существует устойчивая очень маленькая фракция микро-РНК (всего 21-28 нуклеотидов). А ведь микро-РНК — это один из основных эпигенетических регуляторов, воздействующий на работу всего нейрона.
Более того, коллеги воспроизвели in uttro моносинаптические связи между конкретными нейронами, добавили туда микро-РНК и получили изменения, которые отразились на поведении животного именно так, как предполагалось. Кстати, исследователи не употребляют выражение «перенос памяти» (это образ), они пишут «перенос энграммы (записи, "следа") памяти». То есть они не перенесли память в буквальном смысле, а изменили нейронную сеть животного таким образом, будто в ней уже содержалась память о данном событии.
Без обучения?
Без обучения! При помощи эпигенетической регуляции эти состояния можно воспроизводить, используя микро-РНК.
Еще я хотел сказать, что в геноме человека, как сегодня известно, больше 40 тыс. генов. А у улитки в три раза больше (!), и никто не знает почему. Из этих 100 тыс. генов белки кодируют всего около 2%, а остальные кодируют РНК и микро-РНК, управляющие работой всех, в том числе и «белковых», генов. Эпигенетика открывает возможности для управления этими 98%. Ведь судьбу каждой клетки определяет уровень эпигенетической регуляции генома. Оказывается, у взрослого организма судьба нервной клетки предопределена: она уже не делится, эпигенетическая регуляция ввела ее в определенное состояние. В зависимости от этого состояния меняется ее место в общей сети — это и есть память. Изменилась надолго — значит, нервная сеть будет работать по-другому, мы что-то приобрели или потеряли.
Похоже, это происходит на синаптическом уровне. но управляется эпигенетической регуляцией в ядре клетки. Добавлю, что четыре года назад слово «эпигенетика» было довольно редким в нейрофизиологии. А мы еще пять лет назад подали на грант по эпигенетике и получили его. Поэтому у нас сейчас есть серьезные наработки в этой области.
В прошлом году в США на конгрессе по нейронаукам была впервые организована отдельная сессия по эпигенетической регуляции памяти. Это постерная секция, посвященная исследованию когнитивных функций, в основном позвоночных. На беспозвоночных в мире в этой области работают всего несколько лабораторий. А вообще, эпигенетическая регуляция сейчас становится горячей темой.
Вернемся к началу разговора о сознании животных. Даже беспозвоночные обладают эмоциями, памятью, способностью принимать решения, обучаться. Наверное, можно сказать, что все это — составляющие сознания либо интеллекта?
Повторю: для этого нужно определить, что такое сознание и что такое интеллект.
А вы можете дать свое определение? Например, интеллекта.
Каждый имеет свои определения, универсального, к сожалению, нет. Для меня интеллект — это прежде всего способность к обучению. Умная собачка тут же поймет: если я щелкнул пальцами и затем ее покормил, потом, когда я щелкну пальцами, она тут же прибежит есть— она же умная собачка. А некоторые, например кошки, на это не реагируют, у них другие стимулы и другой интеллект, с нашей точки зрения. Интеллект всегда субъективен. И как кошки оценивают друг друга, я не знаю. У меня сейчас дома три кошки, и я смотрю на них с удивлением — все разные.
А насекомые — что с ними?
С точки зрения высших функций мозга у насекомых слишком стереотипное поведение: оно жестко запрограммировано, они не могут выйти за его пределы. Та же кошка может вас воспринимать и видеть и сидя, и стоя, и лежа. Но если вы перевернете насекомое, оно, скорее всего, уже ничего видеть не будет, потому что у него отключатся все эти механизмы. Но если взять, например, муравьев, у них есть разные категории: муравьи-рабочие, которые только работают и не реагируют на опасность, солдаты, у которых диапазон реакций гораздо более широкий, потому что они могут отреагировать на опасность, а могут работать как рабочие. То есть у них этот диапазон фиксирован или генетически, или благодаря каким-то эпигенетическими регуляторам — у кого-то шире, у кого-то уже, но в целом он у насекомых очень узкий.
Хотя у той же виноградной улитки диапазон реакций, несмотря на то, что она почти ничего не видит (только несколько сантиметров вокруг), химическая чувствительность находятся на уровне млекопитающих, например крыс. У них очень высокая чувствительность к запахам. Они довольно хорошо ориентируются и могут найти источник пищи на расстоянии полуметра; по отношению к длине их тела это очень неплохо. И тактильное восприятие, конечно.
Поэтому если мы условно используем понятие «интеллект» как уровень способности взаимодействия с окружающим миром, то. возможно, это определение приемлемо. Быть может, в животном мире не все определяется нервной системой, у насекомых главенствует социальная иерархия и действует не одна особь, а целое сообщество. Но у каждой отдельной особи нервная система — определяющая, без нее ничего не происходит, и работает она по жесткой программе, а вот пластичность достигается уже за счет разнообразия в популяции. Каждый организм в коллективном выражении немножко «тупее», если можно так выразиться, чем организм, действующий индивидуально. У меня сложилось такое впечатление в результате многих лет работы с животными. Особь, жизнь которой в большей степени определена социальной средой, выдает более стереотипное, практически без вариантов, поведение по сравнению с особью, живущей относительно независимо и вынужденной выживать самостоятельно.
Каковы основные направления работы института сегодня?
1990-е гг. мы пережили очень трудно. В основном сохранились те лаборатории, которые сотрудничали с зарубежными коллегами, то есть работали на международном уровне. Классические павловские исследования 1970-х гг. на собаках практически закончились, прежде всего потому, что они не поддерживаются международной общественностью по разным причинам, в том числе этическим.
Главное, сегодня изменился сам формат исследований на животных— эксперимент проводится с обязательным учетом молекулярных процессов. С другой стороны, исследования на людях сейчас получили второе дыхание, в том числе исследования сознания, потому что появились новые технологии: МРТ, магнитная энцефалография.
Из недавнего — ближневолновая спектроскопия, новый интересный метод. ЭЭГ, конечно, развилась по максимуму, в том числе и способы обработки данных, которые позволяют получать очень любопытные результаты. Например, как получить данные об эмоциональном состоянии человека, основываясь на показаниях энцефалограммы? Оказалось, это возможно. Недавно был доклад на эту тему из лаборатории члена-корреспондента РАН. профессора А.М. Иваницкого. Например, хорошо или плохо испытуемый воспринимает изображения, вызывают ли они у него приятные или неприятные ощущения — все это можно узнать из ЭЭГ. И самая большая проблема, поскольку энцефалограмма представляет собой отзвук работы нервной системы, — расшифровать эти сигналы, понять, что они означают.
В институте проводятся исследования и на молекулярном уровне. У нас появилось абсолютно новое молекулярно-биологическое направление работы — молекулярная нейробиология, им занята почти четверть сотрудников. Отмечу: наш институт — физиологический, но в нем работают и молекулярные биологи (это редкое сочетание), способные синтезировать вещества, с помощью которых мы можем управлять в том числе и геномом — выключать какой-то ген или, наоборот, усиливать его экспрессию. Более того (и это одно из новых направлений), мы можем привнести в организм животного чужеродный ген, который служит сенсором определенных событий, и управлять такими клетками с помощью света. Можем экспрессировать выработку сенсоров кальция и наблюдать десятки клеток одновременно — их активность в свободном поведении у позвоночных животных. Еще лет пять назад это было абсолютно недостижимо. Такие исследования довольно дороги, но мы сумели наладить у себя производство собственных препаратов для экспериментов.
Это очень важно, когда в рамках одного учреждения физиология объединяется с молекулярной биологией и генетикой. Представители разных специальностей вынуждены работать вместе и понимать друг друга...
Вчера, например, на ученом совете мы слушали доклад под названием «Молекулярная нейробиология», в котором участвовало пять лабораторий института из 14 существующих, каждая делает свою часть работы. Практически все наши лаборатории сейчас применяют нейрогенетические подходы. В этом и была моя задача как директора. Только объединение разных наук и всех существующих методов позволит нам приблизиться к ответам на вопросы, что такое сознание, как оно проявляется у животных, в чем отличие человека от животных.
■
Беседовала Елена Кокурина
