Ответ на вопрос о сходстве очевиден. Этологи К. Лоренц (К. Lorenz), H. Тинберген (N. Tinbergen) и К. Фриш (К. von Frisch) показали, что у людей с низшими животными много общих форм поведения, в том числе элементарное восприятие и координация движений. В особенности широко распространена способность к обучению; она развилась у многих беспозвоночных и у всех позвоночных. Сходство некоторых процессов обучения позволяет думать, что нейронные механизмы данного процесса могут обладать общими свойствами на всем протяжении филогенеза. Например, нет, по-видимому, принципиальной разницы в структуре, химизме или функции между нейронами и синапсами у человека, кальмара, улитки и пиявки. Следовательно, полный и тщательный анализ обучения у такого беспозвоночного, вероятно, способен выявить механизмы, имеющие общее значение.
Примитивные беспозвоночные привлекательны для таких исследований тем, что их нервная система содержит от 10000 до 100000 клеток в отличие от многих миллиардов у более сложных животных. Клетки собраны в отдельные группы, называемые ганглиями, и каждый ганглий обычно содержит от 500 до 1500 нейронов. Такое количественное упрощение позволило связать функцию отдельных нейронов непосредственно с поведением. В результате получен ряд важных фактов, которые приводят к новым представлениям о связи между мозгом и поведением.
Первый важный вопрос, который следует рассмотреть исследователям простых нейронных систем, состоит в том, отличны ли друг от друга разные нейроны одной области. Этот вопрос - центральный для понимания того, как поведение осуществляется нервной системой, был до последнего времени предметом обсуждения. Некоторые нейробиологи считали, что по своим свойствам нейроны мозга достаточно сходны, чтобы можно было считать их идентичными элементами, связи между которыми обладают приблизительно одинаковым весом.
Против этого теперь выдвигаются веские возражения, особенно на основании изучения беспозвоночных, показавшего, что многие нейроны доступны индивидуальной идентификации и инвариантны у каждого члена вида. Представление об индивидуальных свойствах нейронов предложено еще в 1912 г. немецким биологом Р. Гольдшмидтом (R. Goldschmidt) на основании исследования нервной системы у примитивного червя, кишечного паразита аскариды. Мозг этого червя состоит из нескольких ганглиев. Изучая эти ганглии, Гольдшмидт обнаружил, что они содержат точно 162 клетки. Число это никогда не варьировало от животного к животному, и каждая клетка всегда занимала свое характерное положение. Несмотря на такие четкие результаты, работа Гольдшмидта осталась практически незамеченной.
Более 50 лет спустя к этой проблеме вернулись независимо друг от друга две группы исследователей в Гарвардской медицинской школе. М. Оцука (М. Otsuka), Э. Кравиц (Е. Kravitz) и Д. Поттер (D. Potter), исследуя омара, и У. Фрезье (W. Frazier), И. Купферман (I. Kupfermann), Р. Вазири (R. Waziri) и Р. Коггсхолл (R. Coggeshall), исследуя крупного морского моллюска аплизию, нашли подобную же, хотя и менее полную инвариантность в более сложных нервных системах этих более развитых беспозвоночных. Сходная инвариантность вскоре была обнаружена у многих беспозвоночных, в том числе у пиявки, рака, саранчи, сверчка и ряда моллюсков. Я ограничусь здесь рассказом об исследованиях аплизии, преимущественно исследованиях отдельного ганглия, а именно абдоминального. Сходные данные получены также на других беспозвоночных.
В абдоминальном ганглии аплизии нейроны варьируют по величине, положению, форме, пигментации, по характеру импульсации и химическим веществам, посредством которых они передают информацию другим клеткам. Такие различия позволяют распознавать и называть индивидуальные клетки (Rl, L1, R151 и т.д.). Некоторые из этих различий проявляются в характере импульсации. Одни клетки обычно "молчат", другие спонтанно активны. Среди активных одни генерируют регулярные потенциалы действия, или нервные импульсы, другие выдают повторные краткие залпы или серии импульсов. Теперь известно, что различия в импульсации объясняются разными типами ионных токов, генерируемых мембраной тела нейронов. Мембрана тела нервной клетки совершенно отлична от мембраны ее длинного отростка, аксона. Когда мембрана аксона активна, она, как правило, создает только приток ионов натрия и отставленный по времени выход ионов калия, тогда как мембрана тела клетки может продуцировать шесть или семь разных ионных токов в различных комбинациях.
1 R, Right - правый; L, Left - левый.- Прим. ред.
Рефлекс втягивания жабры возникает у аплизии в ответ на стимуляцию сифона или мантийного выступа. При этом жабра принимает положение, обозначенное цветной линией.
Пока еще неизвестно, обладает ли большинство клеток в нервной системе млекопитающих такой индивидуальностью. Впрочем, исследования сенсорных систем млекопитающих, описанные Д. Хьюбелом и Т. Визелем в настоящем выпуске, выявили поразительные важные различия между соседними нейронами (см. Д. Хьюбел и Т. Визель "Центральные механизмы зрения"). Работы по изучению развития головного мозга у позвоночных, описанные У. Коуэном, приводят к такому же выводу (см. У. Коуэн "Развитие мозга"),
В связи с тем фактом, что нейроны инвариантны, возникают новые вопросы. Инвариантны ли также синаптические связи между клетками? Всегда ли данная идентифицированная клетка соединена точно с тем же следующим нейроном, а не с другими? Многие физиологи изучали эти вопросы на беспозвоночных и нашли, что действительно клетки всегда образуют одни и те же виды соединений с другими клетками. Инвариантны не только связи, но и "знак", или функциональное выражение, этих связей, т.е. их тормозное или возбудительное действие.
Поэтому в, дальнейшем Фрезье, Дж. Бленкеншип (J. Blankenship), Г. Вахтель (Н. Wachtel) и я пользовались идентифицированными клетками, чтобы выявить правила, определяющие функциональные свойства связей между клетками. Отдельный нейрон обладает множеством веточек и образует множество соединений. Мы задались рядом вопросов: все ли связи нейрона специализированы для торможения или возбуждения, или же его импульсация может производить разное действие в его разных ветвях? Чем определяется возбудительный или тормозный эффект связи? В чем причина того, что связь является возбудительной или тормозной? Определяется ли знак синаптического действия химической структурой медиатора, выделяемого пресинаптическим нейроном, или же определяющим фактором служит природа постсинаптического рецептора? Выделяет ли нейрон на всех своих окончаниях один и тот же медиатор?
Карта абдоминального ганглия Aplysia californica, на которой показано положение идентифицированных нейронов; они обозначены L или R (от Left левая и Right - правая половины ганглия) и пронумерованы. Эти нейроны являются частями скопления, образованного клетками с одинаковыми свойствами; они, кроме того, помечены буквой, обозначающей скопление (LD), и индексом, указывающим на поведенческую функцию нейрона, например, НЕ для возбудителя сердца (от Heart excitator) и G1 и G2 для двух мотонейронов жабры (от Gill жабра).
Характер импульсации идентифицированных нейронов в абдоминальном ганглии аплизии. R2 обычно "молчит", R3 выдает регулярную импульсацию, R15 регулярные пачки импульсов и L10 - нерегулярные пачки. L10 является командной клеткой, управляющей остальными клетками в системе.
Один из путей исследования этих вопросов состоит в том, чтобы проследить за разными связями клетки. Первая же рассмотренная нами клетка дала ясный ответ: по разным своим связям она оказывала разное действие. Она возбуждала одни следующие за ней клетки, тормозила другие и (пожалуй, совершенно неожиданно) образовывала двойственную связь, как возбудительную, так и тормозную, с третьей клеткой. Кроме того, она всегда возбуждала точно одни и те же клетки, всегда тормозила другую определенную группу клеток и всегда имела двойственную связь с третьей группой. Ее синаптическое действие создавалось одним и тем же медиатором ацетилхолином. Будет ли это действие возбудительным или тормозным, зависело от реакции медиатора с разными типами рецепторов на постсинаптических клетках. Рецепторы определяли знак синаптического действия, управляя разными ионными каналами в мембране, в основном натриевыми, для возбуждения и хлорными для торможения. Клетки, к которым приходили связи двойного действия, обладали для одного и того же медиатора рецепторами двух типов: один управлял натриевым каналом, другой хлорным. Таким образом, функциональное свойство химической синаптической передачи определяется типом рецептора, который находится на данном постсинаптическом участке следующей клетки. [Сходные результаты получила Ж. Кихоу в Эколь Нормаль в Париже, детально проанализировав свойства разных ацетилхолиновых рецепторов.]
Инвариантность связей между клеткой L10 и некоторыми из следующих за ней клеток. А. Опыт, в котором двуствольные микроэлектроды для регистрации и для проведения тока были введены в L10, пресинаптический нейрон, и три следующие за ним клетки: L10 вызывает возбуждение (обозначено белым) в RB, торможение (черным) в LD и возбуждение и торможение в L7. Б. Соответствующие записи импульсации. В. Несколько наложенных записей, на которых виден короткий, но постоянный латентный период между импульсом в пресинаптическом нейроне и ответом двух следующих за ним клеток. Г. Наложения записей, полученных от L10 и L7, показывают, что эффект бывает возбудительным, когда L10 действует первым, как показывают высокие и узкие импульсы, и тормозным, когда он действует вторым, как показывают низкие и широкие импульсы.
