И были с нами Ангелы морские… (2)

7.

Сделаю отступление и скажу, что теперь я мог бы ответить на вопрос, какие из моллюсков обладают этим нетривиальным признаком. Гигантские нейроны обнаружены только у представителей класса Gastropoda (брюхоногие), при том не у всех подряд. В подклассе Prosobranchia (переднежаберные) гигантизма нейронов не наблюдали никогда. Зато в двух других подклассах — Opisthobranchia (заднежаберные) и Pulmonata (лёгочные) – крупные и гигантские нервные клетки имеются у всех видов (точнее, у всех проверенных видов).

И заднежаберные, и лёгочные произошли, по мнению зоологов, от переднежаберных. Судя по нервным клеткам, обе линии наследовали одному общему предку. По-видимому, он, этот неведомый древний переднежаберник, претерпел уникальную революцию (мутацию?) — обрёл способность к тысячекратному увеличению содержания нейрональной ядерной ДНК, вслед за чем стал родоначальником двух процветающих групп.

В лаборатории моего товарища по работе, цитолога В.Я. Бродского, на наших препаратах тритонии и было впервые показано, что ядра особенно крупных нейронов отличаются фантастически высоким содержанием ДНК. Обладая таким ядром, один нейрон может заменить множество мелких, диплоидных нервных клеток. И действительно, заднежаберные и лёгочные моллюски обходятся значительно меньшим числом центральных нейронов, чем у родительской группы — переднежаберников. При этом поведение не упрощается. Как тут быть с известной догмой, согласно которой животное тем умнее, чем больше в его мозге нейронов?

Насколько мне известно, больше нигде в животном мире подобной революции мозга не происходило, и загадка гастропод до сих пор не получила объяснения. Какой роскошный, казалось бы, подарок молекулярщикам со стороны природы! Вникни, разберись! Никто не вник, никто даже не попытался разобраться, во всей мировой науке не нашлось ни единого человечка, проявившего интерес к молекулярной подоплёке гигантизма нейронов. Делать что-нибудь стадом эти молекулярщики всегда пожалуйста, а разглядеть уникальный шанс — некому.

8.

Сравнив гигантские нейроны дендронота, эолидии, корифеллы и других беломорских голожаберников, я сделал естественное, даже, можно сказать, туповатое умозаключение: самыми крупными нейронами должен обладать самый крупный голожаберник. Cогласно зоологическим атласам, самым крупным нашим голожаберником является Tritonia diomedia, обитающая в Японском море. (Позже зоологи переименовали её в Tritonia diomedea.) Прекрасно! Японское море – советское море. Почему бы не отправиться туда поискать тритонию?

Как всё происходило, я детально рассказал в полунаучном очерке «Красная трепанга», он не раз переиздавался и теперь выложен на моём литературном сайте (14). Ограничусь здесь тремя главными пунктами.

1. В этом авантюрном предприятии компанию мне составили Борис Николаевич Вепринцев и Игорь Викторович Крастс, взявшие на себя самое трудное – оборудование. Надо было разобрать установки в их родном Институте биофизики, доставить два центнера железа во Владивосток, переправить оттуда на какой-нибудь остров (мы выбрали Путятин) и снова собрать на местном рыбоконсервном заводике или где-нибудь возле него. Ни Института биологии моря, ни морских биостанций у нас на Дальнем Востоке в ту пору ещё не было.

2. Тритонию мы нашли.

3. Результаты первичного микроэлектродного обследования её сверхгигантских нейронов быстро опубликовали в журнале «Биофизика» (15).

Что было дальше?

Б.Н. Вепринцев немедленно пристроил нейроны тритонии к биофизике мембран. Боевые ватаги пущинских и киевских биофизиков ринулись на остров Путятин.

Я в союзе с электронным микроскопистом В.Л. Боровягиным зациклился на чудесах цитологии, явленных новым объектом. Одним из итогов этих занятий стала книга «Ультраструктура гигантских нейронов тритонии», содержащая весьма занятные находки (16).

Но самый хищный глаз положили на тритонию американцы и англичане. Таковых было поначалу немного, важно, что в это небольшое число входил главный стратег нейроэтологии Грэм Хойл. Нейроэтология – это наука о нейрональных механизмах поведенческих программ, в те годы она как раз нарождалась. Теоретически, у Хойла всё уже было продумано, он знал, что делать, не мог только выбрать оптимальный объект. Раки? Насекомые? Наша статья появилась как нельзя кстати. Американцы сразу и без труда нашли тритонию на своей стороне Тихого Океана. (Англичанам пришлось довольствоваться более мелким видом того же рода, который доступен у берегов Соединённого Королевства).

Результаты наших ультраструктурных и биофизических исследований на нейронах тритонии были интересными, полезными, но не более того. Результаты нейроэтологов оказались ошеломляющими.

9.

Хойлу не так даже повезло с тритонией, как с аспирантом, которого он посадил на тритонию. Этого рослого парня, физика по первому образованию, звали Деннис Уиллоуз. Тритония демонстрировала у Денниса самые разные движения, при этом Деннис так хитроумно закреплял её мозг, что он оставался неподвижным и в клетки мозга, выбранные под микроскопом, можно было вводить микроэлектроды. Это было выдающееся техническое достижение, до сих пор не превзойдённое. И потому стали возможными выдающиеся научные результаты.

В сентябре 1967 года на международном симпозиуме в Венгрии Уиллоуз сообщил, что ему удалось найти в мозге тритонии некий узнаваемый нейрон, возбуждение которого служит командой для нервной сети, генерирующей программу целостного поведенческого акта – «избегательного плавания» (escape swim). То есть достаточно возбудить один единственный нейрон, и тритония, выдав стереотипную серию телодвижений, удерёт от хищника (17).

Появилось фундаментальное представление об управлении поведением. Если поведенческий репертуар представлен набором унаследованных и приобретённых программ, а набору поведенческих программ соответствует в мозге набор нейрональных сетей, то управление поведением сводится к выбору нужного командного нейрона. Красиво и капитально.

Попутно замечу, что, вообще-то, тритония не плавающий моллюск, в мирное время она только ползает, скользя подошвой по субстрату. Плавательный бросок тритония совершает исключительно при встрече со звездой, которая может её съесть. Спасительная моторная программа – это стереотипная серия мощных чередующихся изгибов, благодаря которым тело бьёт по воде, как плавник, отбрасывая потенциальную жертву подальше от хищницы-звезды.

(Такую же реакцию на врага я наблюдал у дикой физы, заурядной улиточки наших пресноводных водоёмов. Подобно тритонии, физа на несколько секунд становится плавчихой, едва учует заклятого врага — пиявку. Подозреваю, что escape swim физы генерируют нейроны, гомологичные тем, которые делают это у тритонии. Эволюция не любит разбрасываться толковыми нейронными ансамблями.)

Проходят годы после замечательных демонстраций Денниса Уиллоуза, и среди его американских последователей, занимающихся нейроэтологией тритонии, появляется новая заметная фигура, Питер Геттинг. Питер тоже исследует escape swim тритонии и тоже приходит к ошеломляющему заключению: те же самые нейроны, которые генерируют escape swim, способны генерировать ещё одну поведенческую программу. Фантастика! Как такое может быть? А сеть? Геттинг высказывает революционное предположение, что монтажная схема нейрональной сети способна перемонтироваться. Он связывает это с динамической изменчивостью свойств нейронов, формирующих сеть, и приводит веские свидетельства такой изменчивости (18). С подачи тритонии, перестройка нейронных сетей становится модной главой науки о мозге.

Вскоре молодой Геттинг выходит из строя (мне говорили, инсульт), и тут же работавшие с ним бодрые ребята начинают тянуть одеяло на себя. В частности, присваивают открытие Денниса (у них в Америке так принято). Для начала переименовывают командный нейрон Денниса и тем самым как бы описывают его впервые; отныне он называется триггерным. Триггерному нейрону делается шумная реклама, объявляется, что только его не хватало для полного понимания клеточных основ поведения.

Реклама имеет успех. Нейроэтологи, работающие на пиявке, объявляют, что триггерный нейрон имеется и у их объекта, – достаточно его пораздражать, и включается плавательная программа (19).

Годы, однако, продолжают бежать, и пиявочники с недоумением обнаруживают, что один и тот же триггерный нейрон может приводить в действие разные поведенческие программы. Только что вызывал плавание – и уже вызывает шагание (20). Почему он поступает столь непоследовательно? Как с такими триггерами можно управлять поведением?

Новые люди, работающие на тритонии, нащупывают новые перспективы. Совсем недавно к привычным внутриклеточным микроэлектродам удалось добавить оптическую технику, позволяющую одновременно отслеживать индивидуальную активность более 130 нейронов мозга (21). Оказалось, что в генерации и реализации escape swim участвует вдвое больше нервных клеток, чем считалось до сих пор. И снова тритония в эпицентре событий. Как не загордиться отцам-основателям замечательного объекта?

Пренебрегаю экономии ради менее значимыми успехами нашей тритонии. Можно было бы, например, рассказать о том, как тот же Деннис Уиллоуз выяснил, каким способом животное ориентируется в магнитном поле, даже нашёл у тритонии нейроны, которыми она это делает (22). Можно добавить про оригинальные нейропептиды тритонии. И так далее. Понятно, что интерес к тритонии не ослабевает.

Добавлю про человеческий фактор. Мы с Борисом Вепринцевым участвовали в том симпозиуме 1967 года, на котором Деннис Уиллоуз сделал свой знаменитый доклад. Подружились. Хорошее отношение к нам Деннис перенёс на всю советскую нейробиологию. Став директором роскошно оборудованной морской биостанции Friday Harbor, он ежегодно приглашал работать наших соотечественников. Допустим, пишу: «Дорогой Деннис, рекомендую тебе NN. Она не только чрезвычайно мила, но и виртуозно владеет микроэлектродной техникой». Деннис тут же добывает деньги, и NN летит к нему. Особенно надёжно действовали слова «чрезвычайно мила».

Я добрался до Friday Harbor только весной 1994 года. Изрядно поседевший Деннис встретил меня в аэропорту Сиэтла и доставил на остров на своём двухместном гидроплане. В воздухе дал порулить. Показал стаю кашалотов. Хотел было показать секретную базу атомных подводных лодок — пришлось категорически пресечь это дружелюбное стремление.

Представляя меня своим студентам, Деннис сказал, что я тот человек, чья находка на долгие годы обеспечила его объектом исследования. Мне было приятно — ведь ссылка на нашу статью в «Биофизике» появилась у американцев всего однажды и тут же была забыта. Прославляя тритонию как великий объект нейробиологии, американцы до сих пор умалчивают о его первоописателях (23). Ничего не поделаешь, у них так принято: конкуренция.

10.

Мой другой беломорский хвост — морской ангел, или клион, Clione limacina. Это тоже моллюск, представитель отряда Pteropoda (крылоногие). Как и тритония, клион не имеет раковины и обладает крупными полиплоидными нейронами, каковых в мозге на удивление немного. Удивительно это потому, что, в отличие от тритонии и, вообще, от большинства гастропод, медлительных по своей природе, клион — стремительный пловец, умелый охотник. Моторные программы, посредством которых он ловит жертву и расправляется с ней, настолько изощрённы и так хорошо скоординированы, что ожидаешь увидеть солидно устроенный мозг, а видишь маленький, в котором клетки наперечёт.

Внешняя канва истории моего ангела та же, что у тритонии. Началось с подготовки задач для беломорского практикума, кончилось великолепной востребованностью в нейроэтологии и фотографией клиона на обложке знаменитых журналов. В деталях, однако, немало разного.

Во-первых, морского ангела не пришлось искать, он, в отличие от тритонии, обитатель Белого моря.

Во-вторых, он сразу попал в студенческий практикум. Ещё на стадии разработки учебных задач я сделал маленькое открытие: локомоторные движения (синхронные ритмические взмахи двух крыльев) сохраняются у ангела в препарате, состоящем только из этих крыльев и пары педальных ганглиев. Если я нарушал связь между правым и левым ганглием, каждое крыло начинало биться в собственном ритме, из чего следовало, что [1] ангел обладает двумя независимыми автоматами, производящими локомоторный ритм; что [2] имеется механизм для их синхронизации; и что [3] вся эта нейрональная машинерия мало чувствительна к травме, возникающей при препаровке; у других модельных животных такая травма как правило подавляет моторное поведение.

Эти свойства делали препарат клиона удобным для студенческих занятий. Был очевиден, однако, и его огромный потенциал для изучения природы центральных автоматизмов. Поэтому я без промедления дал описание препарата в небольшой статье (24).

Третье отличие. Если тритония сразу же была востребована наукой, то морскому ангелу пришлось дожидаться своего часа больше двадцати лет. И час настал.

11.

Час настал, когда ко мне в лабораторию пришёл старый друг Юра Аршавский (его папа профессор Илья Аркадьевич Аршавский был в 1957-м оппонентом на моей кандидатской защите), уселся поудобней и попросил: «Расскажи мне про локомоцию виноградной улитки. Нам надоело работать на кошке, хочется чего-нибудь попроще». Какой же это был год? Наверно, 1981-й.

Эти ребята, которым «надоело работать на кошке», были одной из лучших в мире групп, занимающихся управлением движениями. Поэтому к запросу Юрия Ильича я отнёсся с полной ответственностью и для начала отговорил от виноградной улитки. Разговор о ней он мог завести потому, что прочитал свежую статью, в которой мы с Яношом Шаланки, моим венгерским другом, описали способ так растормозить локомоторные мышечные волны, что они будут часами беспрепятственно бежать у улитки по подошве. Но Аршавский не знал, что локомоцией виноградной улитки управляет не только мозг, а ещё и плексус – нервное сплетение, вмонтированное прямо в подошвенную плоть. Этот плексус убивал всякую надежду разобраться в нейрональной (клеточной) основе управления локомоторными волнами.

В качестве альтернативы я предложил локомоцию морского ангела. Предложение было услышано.

12.

Как и в случае тритонии, центральной фигурой стал аспирант. Подобно Деннису Уиллоузу, Юра Панчин оказался замечательно талантливым исследователем. Он не работал в одиночестве, на ангела навалились всей мощью группы Аршавского, в состав которой входил один из лучших в мире специалистов по нейрофизиологии локомоторных движений Григорий Николаевич Орловский. Результатом нескольких сезонов, проведённых группой на беломорской базе Зоологического института «Картеш», явилась мощная серия статей в одном из ведущих международных журналов (25). Она мгновенно сделала морского ангела чемпионом мира – ни на каком другом объекте нейроэтологии не было проведено сравнимого по полноте клеточного анализа поведенческой программы.

Как бы невзначай, ненароком, походя, морской ангел вернулся ко мне и зацепил меня своим крылом. Опять, как почти что тридцатью годами раньше, жизнь началась с новой страницы.

Снова возник Аршавский — предложил, чтобы я присоединился к их группе и попытался внести в ангельскую тему нейротрансмиттерную ноту. Звучало заманчиво. Был сезон 1984 года, я прибыл на Белое море со своим аспирантом Женей Каботянским. Для начала решили прокартировать нейроны, у которых в роли сигнальной молекулы выступает дофамин или серотонин. Чтобы усилить гистохимическую реакцию на эти амины, я решил повысить их концентрацию в нейронах и с этой целью взял с собой метаболические предшественники дофамина и серотонина. Рутинная поначалу работа обернулась незапланированной находкой: каждый из предшественников оказывал сильнейшее влияние на поведение ангела – куда более сильное, чем само нейротрансмиттерное вещество. Доступные нашему разуму объяснения не годились. Мы нашли альтернативное объяснение, оно плохо монтировалось с общепринятыми взглядами на нервную систему, и это было как раз хорошо. Чего стоит научная работа, если в ней нет куража?

Возникший тогда кураж не угас до сей поры, это тема для отдельной статьи, уже не имеющей отношения к Белому морю и даже к морскому ангелу. Увы.

Но приобщённый на ББС к науке о мозге морской ангел, как и тритония, поныне остаётся одним из востребованных объектов. Из нейроэтологии он мигрировал в молекулярную нейробиологию, исследования на нём успешно продолжаются как в Москве, так и в нескольких американских университетах. Там ведь тоже работают люди нашей домашней выучки.

1. А.Ф. Самойлов. О переходе возбуждения с двигательного нерва на мышцу. В кн.: Сборник, посвящённый 75-летию академика Ивана Петровича Павлова. Л., 1924, с. 75-82.
2. Д.А Сахаров. Работы по химическим основам механизмов нервной деятельности. В кн.: Н.М. Артёмов и Д.А. Сахаров. Хачатур Седракович Коштоянц. М. «Наука», 1986. С. 106-162.
3. Г.А. Бузников и Б.Н. Манухин. Влияние серотонина на эмбриональную моторику голожаберных моллюсков. Журн. общ. биол. 1960, 21 (5): 347-352.
4. Kh.S. Koshtoyants, G.A. Buznikov, B.N. Manukhin. The possible role of 5-hydroxytryptamine in the motor activity of embryos of some marine gastropods. Comp. Biochem. Physiol. 1961, 3(1):20-26.
5. Г.А. Бузников. Низкомолекулярные регуляторы зародышевого развития. М. «Наука», 1967.
6. G.A. Buznikov, Neurotransmitters in Embryogenesis. Harwood Academic Publishers, Chur, Switzerland (1990).
7. Е. Каликинская. Страна ББС. М. 2008.
8. Х.С. Коштоянц. Основы сравнительной физиологии. Т.2. Сравнительная физиология нервной системы. М. «Наука» 1957.
9. Д.А Сахаров. Наука о мозге – нейробиология. В кн: Актуальные проблемы биологической науки. М. «Просвещение», 1984. С. 86-100. (http://sukharev.lib.ru/Sakharov/Neurobiology.htm)
10. Д.А Сахаров. Почему нейроны разные? Природа 1972, №10:52-62.
11. Д.А Сахаров. Генеалогия нейронов. М. «Наука» 1974.
12. Д.А Сахаров. Синаптическая и бессинаптическая модели нейронной системы. В кн.: Простые нервные системы, часть 2. Казань, 1985, с. 78-80. См. также: Д.А Сахаров. Множественность нейротрансмиттеров: функциональное значение. Ж. эвол. биохим. физиол. 1990, 26(5):733-740.
13. Д.А Сахаров. Гигантские нервные клетки у голожаберных моллюсков Aeolidia papillosa и Dendronotus frondosus. Журн. общ. биол. 1962, 23: 308-311
14. http://sukharev.lib.ru/Sakharov/Trepanga.htm
15. Б.Н. Вепринцев, И.В. Крастс, Д.А Сахаров. Нервные клетки голожаберного моллюска Tritonia diomedia Bergh. Биофизика 1964, 9:327-336
16. В.Л. Боровягин, Д.А. Сахаров. Ультраструктура гигантских нейронов тритонии. Атлас. М. «Наука» 1968.
17. A.O.D. Willows, G. Hoyle. Correlation of behavior with the activity of single identifiable neurons in the brain of Tritonia. In: Neurobiology of Invertebrates (J. Salanki, ed.). 1968, Budapest, Akademiai Kiado, pp 443-461.
18. P. Getting. Emerging principles governing the operation of neural networks. Annu. Rev. Neurosci. 1989, 12:185–204
19. P.D. Brodfuehrer, W.O. Friesen. From stimulation to undulation: A neuronal pathway for the control of swimming in the leech. Science 1986, 234:1002-1004.
20. P.D. Brodfuehrer, K. McCormick, C. Garybeal, L. Tapyrik, A.M Albano. Initiation of Swimming or Crawling by a Trigger Interneuron in the Medicinal Leech. Invert. Neurosci. 2008, 8:31-39.
21. Moore-Kochlacs C, Hill E, Frost WN, Wang J and Sejnowski TJ (2009). Separation of single neurons from optical recordings in Tritonia diomedea using ICA. Frontiers in Systems Neuroscience. Conference Abstract: Computational and systems neuroscience. См. детали на http://inc2.ucsd.edu/techreports/INC-08-001-tritonia.pdf
22. Lohmann, K. J., Willows, A. O. D., Pinter, R. B. (1991). An identifiable
23. molluscan neuron responds to changes in earth-strength magnetic fields. J. Exp. Biol. 161, 1-24. См. также http://www.unc.edu/depts/geomag/Tritonia.html
24. http://www.scholarpedia.org/article/Tritonia
25. Д.А Сахаров. Об автоматизме педальных ганглиев у крылоногого моллюска Clione limacina L. Научн. докл. высш. школы (биол. науки). 1960, №3:60-62.
26. Arshavsky Yu, I., I.N. Beloozerova, G.N. Orlovsky, V. Panchin Yu, G.A. Pavlova, Control of locomotion in marine mollusc Clione limacina. Exp Brain Res, 1985. 58:255-262, 263-272, 273-284, 285-293.