Подсознание

Именно в лаборатории Миллера Гас Павлидес познакомился с Джонатаном Уинсоном, который активно занимался исследованиями сна и памяти. Этот период был решающим — Павлидес регулярно обедал с двумя великими учеными, чему не уставал удивляться. Во время одной из захватывающих дискуссий, типичных для таких трапез, возникла идея использовать свойства нейронов места в гиппокампе для исследования сна — это было воистину Колумбово яйцо[119]! Впечатляющие результаты эксперимента описаны в главе 10.

Честный обмен

Шесть лет спустя, возбужденный статьями Уинсона, я отправился к мэтру. Я хотел узнать, как проводить эксперименты со сном и обучением. Он уже не работал, поэтому указал на своего бывшего ученика доцента Павлидеса.

Я постучался, и меня тут же приняли. Через 10 минут я объяснил, что намерен узнать, вызывает ли сон экспрессию ранних генов в мозгу крыс, и использовать те же методы, что и при исследовании пения канареек. Павлидес был деловитым и позитивным — точно таким же, как и при всех наших последующих встречах: «Начинаете завтра». Я, разумеется, не знал, что скорость, с какой он принял меня в свою лабораторию, была связана с его недавним сновидением.

Тогда Павлидес применял технику, разработанную в 1980-х годах для радиоактивной маркировки областей гиппокампа, активированных разными раздражителями. Во сне ученый представил, что нейроны места гиппокампа организованы в кластеры, реагирующие на одно и то же положение в пространстве. Однако радиоактивный метод оказался недостаточно чувствительным, чтобы убедительно проверить эту гипотезу.

Следовало использовать маркер, вырабатываемый самим мозгом, быстрый и гораздо более чувствительный, — что-то вроде… ранних генов! Сам того не подозревая, я предложил Павлидесу привнести в его лабораторию именно то, что ему было необходимо. Это был честный обмен — он предоставил мне свободный доступ в лабораторию и обучал меня с большой внимательностью.

Я с головой ушел в работу. Я научился у самого Павлидеса делать электроды и вживлять их в гиппокамп крыс, чтобы точно отслеживать разные фазы цикла сна — бодрствования. Мелло поделился со мной методикой определения уровня экспрессии генов. В течение трех месяцев я упорно проверял гипотезы о повышении экспрессии ранних генов во время быстрого сна.

Результат, однако, сильно разочаровал: мы убедились, что сон снижает экспрессию ранних генов. Я ставил опыты снова и снова, шли месяцы, и я просто не мог поверить глазам. По сути, мы получили те же результаты, что уже опубликовали Чирелли и Тонони — но я еще не знал об их публикациях. Мы переживали период зарождения интернета — с его развитием поиск нужных научных статей в электронных базах данных значительно упростился.

Из-за пробелов в библиографическом сопровождении я больше года безуспешно гонялся за результатом, который, исходя из уже имевшихся на тот момент публикаций, был невозможен. Когда я все-таки увидел эти статьи, меня охватило странное ощущение: это правда, но не окончательный вердикт. Пазл не сходился — отсутствовали какие-то важные детали. Идеи замотались в клубок, и мне предстояло их распутать.

Разрешение парадокса

Дождливым апрельским днем я рылся в книгах в хранилище университетской библиотеки и наткнулся на любопытную аналогию, выдвинутую другой итальянской группой. Казалось, эта идея мне поможет. Согласно Антонио Джудитте и его коллегам из Неаполитанского университета имени Фридриха II, сон для новых воспоминаний так же важен, как пищеварение — для усвоения еды.

Чтобы понять, как спящая нервная система способствует обучению, ученые предлагали сравнить, что последовательно происходит в медленном и быстром сне. В аналогии памяти/пищеварения они соответствуют желудку и кишечнику.

При отсутствии пищи функции этих органов желудочно-кишечного тракта четко дифференцировать невозможно, поэтому было важно рассмотреть, что происходит в них при наличии или в отсутствие «пищи», то есть нужна новая информация.

Вдохновленный стройной гипотезой Джудитте, я провел новые эксперименты. На этот раз я сравнивал крыс, находившихся в новой среде в течение нескольких часов перед сном, с контрольными животными, которых в новую среду не помещали. Коллеги Чирелли и Тонони изучали периоды сна в несколько часов, содержащие все фазы вперемежку, я же решил проанализировать конкретные эпизоды каждой фазы, тщательно дифференцировав медленный и быстрый сон.

Результаты заставили задуматься. Животные, которых не помещали в новую среду, демонстрировали низкую экспрессию генов непосредственно ранней стадии во время обеих фаз сна. Экспрессия таких генов у животных, ранее простимулированных новой средой, имела такие же показатели в коре головного мозга и в гиппокампе: во время медленного сна они снижались, а во время быстрого — повышались.

Напрашивался вывод: активация ранних генов действительно может происходить во время сна, если до этого имелось воздействие новых раздражителей. Это было прямым доказательством гипотезы Джудитте, а также первым молекулярным доказательством дневного остатка Фрейда, раскрывающим влияние опыта бодрствования на экспрессию генов во время сна. Казалось, давний парадокс разрешился.

Теория синаптического гомеостаза

Установление связи между концепцией дневного остатка Фрейда и некоторыми из наиболее фундаментальных механизмов клеточной биологии не обошлось без научных споров. В середине 1990-х Тонони и Чирелли переехали в США и возглавили лаборатории в Висконсинском университете в Мадисоне. Они были убеждены, что падение экспрессии ранних генов во время сна — важное явление.

Разнообразные исследования в последующие годы подтвердили и расширили первоначальные выводы на молекулярном, электрофизиологическом и морфологическом уровнях. По какой-то причине Тонони и Чирелли не пытались изучать конкретные эпизоды медленного или быстрого сна и предпочли сосредоточиться на результатах длительных периодов сна, содержащих обе фазы. Кроме того, они не использовали предыдущее воздействие новых раздражителей. При этих недостатках результаты продолжали накапливаться и привели к выдвижению чрезвычайно важной гипотезы.

Она основывалась на открытии американского биолога Джины Турриджано: синапсы, деактивированные в течение длительного времени, имеют тенденцию к усилению. Чтобы осмыслить это, важно иметь в виду: синапсы — как химического, так и электрического контактов — позволяют передавать электрическую активность от одной клетки к другой.

Электрические синапсы — это прямые соединения мембран двух клеток, обеспечивающие свободное прохождение ионов и, следовательно, почти мгновенную передачу информации. Химические синапсы медленнее, они состоят из небольших, близко расположенных выступов клеточной мембраны, допускающих химический контакт между ними. Он происходит за счет высвобождения и распространения крохотных — поистине, нано- пузырьков, содержащих в числе прочего молекулы нейромедиаторов глутамата, ГАМК, норадреналина, серотонина, ацетилхолина и дофамина.

Химические синапсы могут быть высоко- или низкоэффективными в зависимости от размера и молекулярного состава. Существует континуум значений силы синапса между минимальной и максимальной эффективностью их передачи.

Джина Турриджано совершила неожиданное открытие в процессе исследования в течение 48 часов силы химических синапсов после фармакологического подавления электрической активности. К большому удивлению ученого, длительное торможение нейронной активности значительно усилило синапсы. Дальнейшие опыты показали: после лечения нейроны активировались существенно сильнее и стали гораздо более возбудимыми.