Медицинские знания можно получить не только при изучении людей, но и в экспериментах на самых разнообразных моллюсках. Эти мягкотелые — так звучит их второе название — открыли человечеству немало тайн устройства нервной системы и памяти.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №3(43). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Моллюски — один из типов беспозвоночных животных. У них почти всегда есть раковина или её рудимент, часто — голова и нога. В типе выделяют около десятка классов, но в школе обычно рассказывают про три: двустворчатых, головоногих и брюхоногих. Из всего многообразия животных этого типа медикам и биологам, изучающим общие принципы физиологии, пригодились те, что активно передвигаются и не могут полностью спрятаться в раковине (тут есть исключение, но о нём позже). Это представители брюхоногих и головоногих моллюсков. О тех, благодаря которым были получены наиболее значимые научные результаты, и пойдёт речь дальше.

Головоногий моллюск, обитающий в «верхней» половине Атлантики, от берегов Ньюфаундленда до Венесуэльского залива. Самцы больше самок (это, кстати, проявление полового диморфизма) и могут достигать полуметра в длину. Но их общий размер отнюдь не главное. Гораздо интереснее реактивное движение. Кальмар умеет молниеносно уплывать от опасности, быстро сокращая мышцы стенок тела. «Туловище» лолиго накрыто складками мантии, и во время сокращения указанных мышц из-под этих складок резко выталкивается вода. При расслаблении она насасывается под складки снова, и цикл повторяется.

Когда изменение мембранного потенциала доходит до концевых участков аксонов, в ней активируется процесс выброса одного или нескольких сигнальных веществ — нейромедиаторов. Молекулы нейромедиаторов, попав в синаптическую щель, могут «доплыть» до соседних с нейроном клеток. Если на их поверхности есть рецепторы к этим нейромедиаторам, разность потенциалов на мембране таких клеток может измениться. Рецепторы к какому-либо веществу — белки, способные временно соединяться с молекулами этого вещества и запускать изменения внутри своей клетки.

Изменения могут быть двух типов: каскад биохимических реакций и приток-отток заряженных частиц в клетку или из неё (зависит от типа частицы и внутренней среды клетки). В последнем случае, конечно же, меняется разность потенциалов на мембране воспринимающей клетки. Такие изменения называются возбуждающим постсинаптическим потенциалом (ВПСП) и тормозным пост­синаптическим потенциалом (ТПСП) соответственно. Одно и то же воздействие на нейрон может привести к разным результатам: постсинаптическая клетка будет реагировать потенциалом то большей амплитуды, то меньшей. И это хорошо. Ведь именно от работы нервных клеток зависят наши реакции на события окружающего мира, и очень важно адаптировать эти реакции так, чтобы они помогали выживанию.

Раз поведение организма обеспечивается нейронами, найти его проявления можно на клеточном уровне. Этим в 1960–1970‑х годах занимался американский нейробиолог Эрик Кандель. Ему хотелось понять, как устроена память и как происходит обучение. Первые эксперименты он проводил на коре больших полушарий кошки — записывал подаваемые нейронами этой коры потенциалы действия. Мероприятие было непростым, и часто приходилось ждать несколько часов, чтобы поймать хотя бы один сигнал. Дело в том, что нервные клетки млекопитающих очень мелкие, и до самого недавнего времени не было электродов такого размера, чтобы они регистрировали активность отдельных нейронов.

Череду почти бесполезных изматывающих опытов удалось прервать. Коллеги посоветовали Канделю обратить внимание на моллюсков. У них, как и у многих других беспозвоночных, нейроны гораздо крупнее, чем в головном мозге кошек. Собственно, мы такие упоминали выше, когда говорили о кальмаре. Гигантский аксон принадлежит гигантскому нейрону. У полукилограммовой аплизии точно таких же нет, но есть вполне крупные нервные клетки, управляющие рефлексом отдёргивания жабр.

Аплизия — голожаберный моллюск, его органы газообмена ничем не защищены, их можно только «свернуть». И это, конечно, очень важно сделать при потенциальной опасности. Особый крупный нейрон, легко узнаваемый и всегда расположенный в одной и той же точке нервной системы, запускает рефлекс отдёргивания жабр, когда что-то дотрагивается до сифона — трубки, через которую животное впускает и выпускает воду.

Изначально у аплизии такая установка: если касаются сифона, хотят нанести вред. Но вообще-то касание может быть случайным или исходить от чего-нибудь неопасного — например, от растения, которое колышет ток воды. В таких случаях жабры можно и не отдёргивать. Кандель показал, как решение не реагировать на прикосновения к сифону выражается на клеточном уровне.

Он частично вскрывал аплизий и подводил к нейронам, управляющим отдёргиванием жабр, стеклянные электроды для регистрации разности потенциалов. Во время эксперимента моллюск был жив, и можно было видеть, как и когда он отдёргивает жабры.

В разных сериях опытов Кандель прикасался к сифону с неодинаковой частотой. Он отметил, что, если делать это долго и часто, нейрон, контролирующий жабры, может и вовсе перестать реагировать. Во всяком случае, возбуждающие постсинаптические потенциалы получаются не настолько мощными, чтобы запустить отдёргивание жабр. Происходившее на клеточном уровне он назвал габитуацией — привыканием. Габитуация оказалась обратимой: когда аплизию на несколько дней оставляли в покое, а потом опять раздражали сифон, управляющий жабрами нейрон снова генерировал ВПСП нормальной амплитуды. Этот процесс именуется дегабитуация — условно говоря, отвыкание.

В экспериментах с габитуацией и дегабитуацией Кандель использовал стимулы одинаковой интенсивности, но предъявлял их с разной частотой. При этом дотронуться до сифона (да и до чего угодно) можно легонько, а можно и ударить по нему. А ещё мы говорили, что одной клетке часто могут приходить сигналы от нескольких других. Так что в новой серии экспериментов учёный дополнительно наносил удары током по хвосту аплизии. 

Когда параллельно с этим прикасались к сифону, моллюск отдёргивал жабры сильнее, и амплитуда ВПСП в клетке, обеспечивающей этот рефлекс, была особенно высока. Такой рост амплитуды ВПСП клетки при очень сильной её стимуляции получил название сенситизация.

Ситуация, когда животному почти одновременно один за другим предъявляют два стимула, лежит в основе выработки условного рефлекса. Сначала один стимул значит для животного меньше другого или вообще ему безразличен (его называют условным). Если много раз подряд после него подавать более значимый стимул (безусловный), организм запомнит это сочетание и некоторое время продолжит реагировать на появление одного лишь условного стимула. Затем рефлекс может угаснуть, если животное долго не будет получать безусловный стимул — награду.