Эрик Ричард Кандель в поисках памяти

6. Разговор нервных клеток

Я пришел в лабораторию Гарри Грундфеста в 1955 году, вскоре после того, как в нейробиологии возник серьезный спор о том, как нейроны передают сигналы друг другу. Эпохальные работы Ходжкина и Хаксли позволили разрешить давнюю загадку, как электрические сигналы возникают в нейронах, но как они распространяются между нейронами? Чтобы один нейрон мог «говорить» с другим, он должен посылать сигнал через синапс, промежуток между клетками. Что же это за сигнал?

Грундфест и другие ведущие нейрофизиологи того времени твердо верили, пока в начале пятидесятых их представления не опровергли, что этот краткий сигнал, передающийся через промежуток между клетками, имеет электрическую природу, что потенциал действия в постсинаптическом нейроне начинается благодаря электрическому току, вызванному потенциалом действия в пресинаптическом нейроне. Но начиная с конца двадцатых стали накапливаться данные, свидетельствующие о том, что сигнал, передающийся между некоторыми нервными клетками, может иметь химическую природу. Эти данные были получены в ходе исследований нейронов вегетативной или автономной нервной системы. Вегетативная нервная система считается частью периферической, потому что тела ее нейронов располагаются в скоплениях, называемых периферическими вегетативными ганглиями, которые находятся возле самого спинного мозга и мозгового ствола, но за их пределами. Автономная нервная система управляет жизненно важными непроизвольными действиями, такими как дыхание, сердцебиение, поддержание кровяного давления и пищеварение.

Эти новые данные положили начало химической теории синаптической передачи и привели к спору, который в шутку называли «суп или искра»: «искровики», такие как Грундфест, считали, что синаптическая передача имеет электрическую природу, «суповики» — что химическую.

Леви, родившийся в Германии и работавший в Австрии физиолог, исследовал те два нерва, то есть пучка аксонов, которые управляют сердцебиением: блуждающий нерв, снижающий частоту сердцебиения, и ускоряющий нерв сердца, повышающий эту частоту. В ходе ключевого эксперимента на лягушках он стимулировал блуждающий нерв, вызывая в нем потенциалы действия, приводившие к снижению частоты сердцебиения. При этом во время и сразу после стимуляции блуждающего нерва он быстро собирал жидкость, окружающую сердце лягушки, и вводил эту жидкость в сердце другой лягушки. Как ни удивительно, у второй лягушки тоже замедлялось сердцебиение! Это не было вызвано никакими потенциалами действия, вместо них вещество, выделяемое блуждающим нервом первой лягушки, передавало замедляющий сердце сигнал.

Впоследствии Леви и британский фармаколог Дейл показали, что вещество, выделяемое блуждающим нервом, представляет собой несложное химическое соединение ацетилхолин. Ацетилхолин играет роль нейромедиатора и замедляет сердцебиение, связываясь с особым рецептором. Вещество, выделяемое ускоряющим нервом сердца, родственно адреналину, еще одному несложному соединению. За открытие первых свидетельств того, что сигналы, передаваемые от одного нейрона вегетативной нервной системы к другому через синапсы, переносятся специфическими химическими медиаторами, Леви и Дейл в 1936 году разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Через два года после получения Нобелевской премии Леви на собственном опыте убедился в том, с каким презрением австрийские нацисты относились к науке. Через день после того, как Гитлер въехал в Австрию под приветственные крики миллионов моих сограждан, Леви, ученый, двадцать девять лет работавший профессором фармакологии в Грацском университете, оказался за решеткой, потому что был евреем. Через два месяца его отпустили при условии, что он переведет свою долю Нобелевской премии, по-прежнему хранившуюся в шведском банке, в контролируемый нацистами австрийский банк и немедленно покинет страну. Так он и сделал и вскоре стал профессором в медицинской школе Нью-Йоркского университета, где несколько лет спустя мне довелось присутствовать на его лекции о сделанном им открытии химической передачи сигналов в сердце.

Новаторские работы Леви и Дейла по исследованию вегетативной нервной системы убедили многих нейробиологов, имевших уклон в фармакологию, что клетки центральной нервной системы, по-видимому, тоже используют нейромедиаторы для передачи сигналов через синаптическую щель. Однако некоторые электрофизиологи, в том числе Джон Экклс и Гарри Грундфест, продолжали в этом сомневаться. Они признавали значение химической передачи для вегетативной нервной системы, но были убеждены, что в головном и спинном мозге сигналы передаются просто слишком быстро, чтобы иметь химическую природу. Поэтому они по-прежнему придерживались теории электрической передачи применительно к центральной нервной системе. Экклс выдвинул гипотезу, что ток, производимый потенциалом действия в пресинаптическом нейроне, пересекает синаптическую щель и входит в постсинаптическую клетку, где усиливается, запуская в этой клетке потенциал действия.
Когда методы регистрации электрических сигналов усовершенствовались, в синапсах между мотонейронами и скелетными мышцами был обнаружен слабый электрический сигнал — доказательство того, что потенциал действия пресинаптического нейрона не сразу вызывает в мышечной клетке потенциал действия, а вначале порождает в ней намного более слабый сигнал особого рода, названный синаптическим потенциалом. Оказалось, что синаптические потенциалы отличаются от потенциалов действия по двум параметрам: они намного медленнее, а их амплитуда может варьировать. Поэтому на репродукторе вроде того, который использовал Эдриан, синаптический потенциал звучал бы как тихое, медленное продолжительное шипение, а не как резкое «бах-бах-бах» потенциала действия, причем громкость этого шипения могла бы варьировать. Открытие синаптического потенциала доказывало, что нервные клетки используют два типа электрических сигналов: потенциал действия для передачи сигналов на большие расстояния и синаптический потенциал для локальной передачи, чтобы переправить информацию через синапс.

Экклс сразу осознал, что именно синаптические потенциалы ответственны за открытую Шеррингтоном «интегративную деятельность нервной системы». В любой момент времени на всякую клетку любого проводящего пути сыплется множество синаптических сигналов, как возбуждающих, так и тормозящих, но у клетки есть только две альтернативы: запускать или не запускать потенциал действия. Более того, базовая задача нервной клетки состоит именно в интеграции сигналов: клетка суммирует получаемые ею от пресинаптических клеток возбуждающие и тормозящие синаптические потенциалы и запускает потенциал действия лишь тогда, когда сумма возбуждающих сигналов превышает сумму тормозящих на величину, большую, чем некоторое пороговое значение. Экклс понял, что именно способность нейронов суммировать все возбуждающие и тормозящие синаптические потенциалы, поступающие по ведущим к данному нейрону аксонам других нейронов, и обеспечивает описанное Шеррингтоном постоянство поведенческих реакций.

К середине сороковых годов сторонники обеих теорий признали, что синаптический потенциал возникает во всех постсинаптических клетках и составляет ключевое связующее звено между потенциалом действия в пресинаптическом и постсинаптическом нейронах. Но это открытие лишь уточняло предмет разногласий: электрическим или химическим путем вызываются синаптические потенциалы в центральной нервной системе?

Дейл и его коллега Уильям Фельдберг, еще один эмигрант из Германии, совершили прорыв в этой области, установив, что ацетилхолин, который используется в автономной нервной системе для замедления сердца, выделяется также мотонейронами спинного мозга, возбуждающими скелетные мышцы. Это открытие подвигло Бернарда Каца разобраться, вызывается ли синаптический потенциал в скелетных мышцах ацетилхолином.

Кац, учившийся медицине в Лейпцигском университете и еще студентом получивший за свои исследования престижную премию, покинул гитлеровскую Германию в 1935 году — потому что был евреем. Он переехал в Англию, где его взяли в лабораторию Арчибальда Хилла в Университетском колледже Лондона. В феврале этого года Кац прибыл в английский порт Харвич, не имея при себе паспорта, и это был, как он впоследствии вспоминал, «жуткий опыт». Через три месяца после этого Кац присутствовал на конференции в Кембридже, где сидел в первых рядах во время перебранки на тему «суп или искра». «К моему огромному изумлению, — писал он впоследствии, — я был свидетелем чуть ли не рукопашного боя между Дж. Экклсом и Г. Дейлом, в котором председательствующий Эдриан очень смущенно и неохотно пытался играть роль судьи». Джон Экклс, лидер «искровиков», представил работу, решительно оспаривавшую ключевой тезис лидера «суповиков» Генри Дейла и его коллег — что ацетилхолин играет в нервной системе роль медиатора, передавая сигналы по синапсам. «Мне было довольно сложно уловить нить этого спора, так как я был не вполне знаком с терминологией, — вспоминал Кац. Слово „медиатор“ напоминало мне что-то из области радио-связи, и поскольку в итоге получалась бессмыслица, предмет спора приводил меня в некоторое замешательство».

На самом деле, не считая того, что приводило Каца в замешательство, одна из проблем с химическими медиаторами состояла в том, что никто не знал, как электрический сигнал в пресинаптическом окончании может вызывать выделение медиатора и как затем этот химический сигнал в постсинаптическом нейроне преобразовывается в электрический. В течение следующих двух десятилетий Кац принимал участие в попытках ответить на эти вопросы и прояснить для центральной нервной системы то, что Дейл и Леви прояснили для вегетативной.

Однако, как и в случае с Ходжкином и Хаксли, угроза войны на время прервала работу Каца. В августе 1939 года, за месяц до того, как разразилась Вторая мировая, Кац, чувствовавший себя в Лондоне неуютно как чужестранец из Германии, принял предложение Джона Экклса, который приглашал его в Австралию на работу в своей лаборатории в Сиднее.

Случилось так, что еще один ученый, уехавший из Европы, спасаясь от нацистов, Стивен Куффлер, который тоже оказал на меня большое влияние, также в итоге оказался в Сиднее и стал работать в лаборатории Экклса (рис. 6–1). Куффлер начинал как врач, затем стал физиологом. Он родился в Венгрии, а учился в Вене, откуда в 1938 году уехал, потому Я что в придачу к тому, что его дедушка был еврей, сам он был социалистом. В Австрии Куффлер был чемпионом по теннису среди юношей и впоследствии шутил, что Экклс пригласил его в свою лабораторию потому, что ему требовался достойный партнер по теннису. Хотя Экклс и Кац как ученые были намного опытнее, Куффлер поразил их своим хирургическим искусством. Препарируя мышцы, он умел выделять отдельные волокна, чтобы исследовать синаптический вход одного мотонейрона к одному мышечному волокну, а для этого требовалось редкое мастерство.

Он предположил, что синаптический потенциал включает два компонента: незамедлительный быстрый процесс связанный с электрическим сигналом, и длительное последействие, связанное с химическим медиатором, таким как ацетилхолин. Кац и Куффнер стали новоиспеченными «суповиками», когда им удалось получить данные, говорящие о том, что даже первый компонент синаптического потенциала в мышцах вызывает химическое соединение ацетилхолин. В 1944 году, когда Вторая мировая война уже приближалась к концу, Кац вернулся в Англию, а Куффлер уехал в Соединенные Штаты. В 1945 году Экклс принял предложение занять должность профессора в университете города Данидин в Новой Зеландии и основал там новую лабораторию.

Экспериментальные данные давали новые и новые основания для сомнений в электрической теории синаптической передачи, и Экклс, человек крупный, спортивный и обычно энергичный и увлеченный, пришел в уныние. В конце шестидесятых, после того как мы с ним подружились, он вспоминал, как в этом подавленном состоянии испытал глубокое интеллектуальное преображение, навсегда оставившее в нем чувство благодарности. Это произошло в университетском профессорском клубе, куда Экклс регулярно приходил отдохнуть после работы. Придя однажды в этот клуб, он встретил там Карла Поппера, философа науки из Вены, который в 1937 году, предвидя, что Гитлер может аннексировать Австрию, уехал в Новую Зеландию. Разговорившись с Поппером, Экклс рассказал ему о споре сторонников химической и электрической передачи и о том, что он, похоже, оказался на проигравшей стороне в этой долгой и принципиальной для него дискуссии.

Рассказ вызвал у Поппера живейший интерес. Он стал уверять Экклса, что у того не было никаких причин для отчаяния, напротив, были причины радоваться. Результаты его исследований никто не оспаривал, оспаривали лишь его теорию, его интерпретацию собственных результатов. Он занимался самой что ни на есть настоящей наукой. Столкновение противоположных гипотез происходит лишь тогда, когда факты проясняются и позволяют детально разобраться в их альтернативных трактовках. И лишь тогда, когда происходит столкновение таких детально проработанных идей, может выясниться ложность одной из них. Не имеет значения, доказывал Поппер, на чьей стороне окажется истина. Сила научного метода и состоит прежде всего в его способности опровергать гипотезы. Наука движется вперед за счет нескончаемых и постоянно совершенствуемых циклов предположений и опровержений. Один ученый выдвигает новую идею об устройстве природы, а затем другие занимаются поиском опытных данных, которые подтвердят или опровергнут эту идею.

У Экклса были все основания радоваться, доказывал Поппер. Он убеждал Экклса вернуться в лабораторию и далее усовершенствовать свои идеи и экспериментальные свидетельства против электрической передачи, чтобы он мог, если понадобится, на деле опровергнуть эту гипотезу. Впоследствии Экклс писал: «Я научился у Поппера тому, в чем вижу теперь самую суть научного исследования: давать волю воображению при умозрительном построении гипотез, а затем как можно усерднее пытаться их оспорить, используя все имеющиеся и проводя одну за другой самые тщательные экспериментальные проверки. Более того, я научился у него даже радоваться опровержению своих излюбленных гипотез, потому что это тоже научные Достижения и потому что такие опровержения позволили нам многому научиться. Общение с Поппером принесло мне счастливое освобождение от косных общепринятых представлений о природе научных исследований. <…> Освобождение от этих сдерживающих догм превращает научное исследование в увлекательное приключение, открывающее новые горизонты, и я думаю, что эта установка сказалась на всей моей последующей жизни в науке».
Экклсу не пришлось долго ждать опровержения своей гипотезы. Вернувшись в Университетский колледж Лондона, Кац получил прямые доказательства того, что именно ацетилхолин, выделяемый мотонейронами, является причиной, причем единственной, развития всех фаз синаптического потенциала. При этом ацетилхолин очень быстро диффундирует в синаптической щели и сразу связывается с рецепторами на поверхности мышечной клетки. Впоследствии было установлено, что ацетилхолиновый рецептор представляет собой белок, состоящий из двух основных компонентов: структуры, связывающей ацетилхолин, и ионного канала. Когда рецептор узнает и связывает ацетилхолин, это вызывает открывание ионного канала.

Затем Кац показал, что ионные каналы, зависимые от химического медиатора, отличаются от потенциал-зависимых натриевых и калиевых каналов двумя свойствами: они реагируют только на специфический химический медиатор и пропускают и натрий, и калий. Одновременное прохождение ионов натрия и калия по этим каналам меняет мембранный потенциал мышечной клетки от -70 милливольт почти до нуля. Кроме того, хотя синаптический потенциал и вызывается химическим путем, это происходит очень быстро, как и предсказывал Дейл. Если синаптический потенциал оказывается достаточно сильным, он вызывает потенциал действия, который приводит к сокращению мышечного волокна (рис. 6–2).

Наряду с болезнями, связанными с дефектами потенциал зависимых каналов, существуют и болезни, связанные с дефектами медиатор-зависимых каналов. В частности при миастении — серьезном аутоиммунном заболевании, встречающемся преимущественно у мужчин, — организм производит антитела, разрушающие ацетилхолиновые рецепторы мышечных клеток и тем самым ослабляя мышцы. Иногда мышцы ослабевают настолько, что пациент не может даже держать глаза открытыми.

Как нам теперь известно, основным возбуждающим медиатором в головном мозгу служит глутаминовая аминокислота, а основным тормозящим — аминокислота ГАМК (гамма-аминомасляная кислота). Многие транквилизаторы (например, бензодиазепины, барбитураты, алкоголь и средства для наркоза) связываются с рецепторами ГАМК и оказывают успокаивающее действие на организм, усиливая торможение, обеспечиваемое этими рецепторами.

Тем самым Экклс подтвердил вывод Каца, что возбуждающая синаптическая передача имеет химическую природу, и доказал, что тормозная синаптическая передача тоже имеет химическую природу. Описывая впоследствии эти открытия, Экклс писал: «Карл Поппер убедил меня сформулировать свою гипотезу как можно конкретнее, чтобы она располагала к экспериментальной проверке на ложность. Случилось так, что ложность этой гипотезы мне удалось доказать самому». Экклс отметил свои открытия тем, что отказался от электрической гипотезы, которую он так активно отстаивал, и стал искренним сторонником химической, столь же активно и увлеченно доказывая ее универсальность.

В это самое время, в октябре 1954 года, Пол Фэтт, один из талантливых соавторов Каца, подготовил превосходную обзорную работу о синаптической передаче. В этой работе Фэтт прозорливо отметил, что было преждевременно делать вывод, что синаптическая передача всегда имеет химическую природу. В заключение он написал: «Хотя все и указывает на то, что химическая передача происходит во всех соединениях <…> лучше всего знакомых физиологу, вполне возможно, что в некоторых других соединениях происходит электрическая передача » (курсив мой. — Э. К)..

Через три года справедливость предсказания Фэтта убедительно продемонстрировали Эдвин Фершпан и Дэвид Поттер, два постдока из лаборатории Каца, обнаружившие конкретный пример электрической передачи между двумя клетками в нервной системе рака. Таким образом, как это иногда и бывает с научными спорами, обе стороны оказались в чем-то правы. Теперь мы знаем, что большинство синапсов, в том числе те, что исследовались во времена этого спора, имеют химическую природу. Но некоторые нейроны образуют с другими электрические синапсы. В таких синапсах между двумя клетками появляются небольшие мостики, позволяющие электрическому току проходить из одной клетки в другую — примерно так, как некогда предсказывал Гольджи.

Открытие двух форм синаптической передачи заставило меня задаться вопросами, к которым мне еще предстояло вернуться. Почему в мозгу преобладают химические синапсы? Не разные ли роли играют в поведении химическая и электрическая передачи?

Во-вторых, Кац открыл, что медиаторы, такие как ацетилхолин, выделяются из окончания аксона не по одной молекуле, а отдельными небольшими порциями, примерно по пять тысяч. Кац назвал эти порции квантами и предположил, что каждая заключена в окруженный мембраной мешочек, который он обозначил как синаптический пузырек. Микрофотографии синапса, полученные в 1955 году Сэнфордом Пейли и Джорджем Пал аде с помощью электронного микроскопа, подтвердили предположение Каца, показав, что пресинаптическое окончание набито пузырьками, в которых, как было доказано впоследствии, содержатся молекулы нейромедиатора (рис. 6–3).

Как повезло мировой нейробиологии, что Англия, Австралия, Новая Зеландия и Соединенные Штаты открыли двери для замечательных исследователей синапса, изгнанных из Австрии и Германии, в том числе для Леви, Фельдберга, Куффлера и Каца. В связи с этим мне вспоминается история, которую рассказывают о Зигмунде Фрейде. Когда он приехал в Англию и ему показали прекрасный дом на окраине Лондона, где он собирался поселиться, и он увидел, в какую мирную и доброжелательную среду привела его вынужденная эмиграция, это побудило его прошептать с характерной венской иронией: «Хайль Гитлер!».