Работы Павлова и бихевиористов, а также Бренды Милнер и когнитивных психологов привели меня к пониманию того, что при разных формах обучения возникают разные формы памяти. Поэтому я переформулировал идею Кахаля и использовал это новое представление как основу для разработки аналогов обучения у аплизии. Результаты исследования показали, что стимуляция разного характера приводит к разным изменениям синаптических связей. Но мы с Тауцем не исследовали, как изменяется настоящее поведение, и поэтому не имели доказательств того, что обучение действительно обеспечивают изменения синаптической силы.

Более того, сама идея, что синапсы могут изменяться в результате обучения и тем самым принимать участие в хранении памяти, отнюдь не была общепринятой. Через два десятилетия после того, как Кахаль сформулировал эту идею, выдающийся гарвардский физиолог Александер Форбс предположил, что память поддерживается динамическими, непрерывными изменениями в замкнутых самовозбуждающихся нейронных цепях. В подтверждение этой идеи Форбс приводил рисунок работы Рафаэля Лоренте де Но, ученика Кахаля, показывающий нейроны, связанные друг с другом в замкнутые проводящие пути. Эту идею далее разработал психолог Дональд Хебб в своей влиятельной книге 1949 года «Организация поведения: нейропсихологическая теория». Хебб доказывал, что такие ревербераторные цепи ответственны за кратковременную память.

Делиль Бернс, один из ведущих исследователей биологии коры головного мозга, тоже оспаривал представление о том, что физические изменения в синапсах могут служить средством хранения памяти: «Механизмы синаптического облегчения, предложенные в качестве претендентов на роль объяснения работы памяти, <…> не оправдали надежд. Прежде чем видеть в любом из них клеточные изменения, сопровождающие выработку условного рефлекса, пришлось бы сильно увеличить масштаб времени, в течение которого наблюдалась их работа. Неоднократно показанная неудовлетворительность синаптического облегчения как объяснения работы памяти заставляет задуматься о том, не может ли оказаться, что нейрофизиологи искали механизмы не того типа».

Некоторые ученые сомневались в самой возможности процесса обучения в пределах постоянных нейронных цепей. Они считали, что обучение должно быть частично или даже полностью независимым от заранее установленных проводящих путей. Этого мнения придерживались Лешли и некоторые представители влиятельного направления в когнитивной психологии раннего периода — гештальтпсихологии. Разновидность этой идеи сформулировал в 1965 году нейрофизиолог Росс Эйди. Он начал свои доводы с того, что «ни для одного нейрона в естественной или искусственной изоляции от других нейронов не была показана способность сохранять информацию, соответствующую обычным представлениям о памяти». Затем он доказывал, что электрический ток, проходящий пространство между нейронами, может передавать сигналы, роль которых «по меньшей мере эквивалентна потенциалам действия нейронов в передаче информации и, что еще важнее, в ее записи и считывании». Обучение представлялось Эйди и Лешли явлением совершенно таинственным.

После того как я и мои коллеги выявили нейронные цепи, лежащие в основе рефлекса втягивания жабр, и установили, что работа этих цепей может видоизменяться в ходе обучения, мы смогли задаться вопросом, справедливы ли какие-то из этих идей и если да, то какие. В 1970 году мы опубликовали в журнале Science серию из трех статей, и в первой была описана использованная нами исследовательская стратегия, которой мы руководствовались в своей работе на протяжении следующих трех десятков лет: «Для анализа нейронных механизмов обучения и аналогичных поведенческих изменений требуется животное, поведение которого может видоизменяться, а нервная система доступна для изучения на клеточном уровне. В этой и следующих двух статьях мы описываем результаты применения комбинированного поведенческого и клеточно-нейрофизиологического подхода для изучения морского моллюска аплизии с целью исследования поведенческого рефлекса, подверженного привыканию и снятию привыкания (сенсибилизации). Мы постепенно упрощали нейронную цепь, обеспечивающую это поведение, чтобы действие отдельных нейронов можно было соотносить со всем рефлексом. В результате теперь у нас имеется возможность изучать локализацию и механизмы этих поведенческих изменений».

В следующих статьях мы показали, что память не зависит от замкнутых самовозбуждающихся нейронных цепей. Мы установили, что в трех простых формах обучения, которые мы исследовали у аплизии, обучение приводит к изменениям в силе синаптических связей (а значит, и в эффективности взаимодействия) между определенными клетками в нейронной цепи, обеспечивающей эту поведенческую реакцию.

Наши данные говорили об этом однозначно и красноречиво. Мы определили анатомический и функциональный механизмы рефлекса втягивания жабр, регистрируя потенциалы отдельных сенсорных нейронов и мотонейронов. Мы обнаружили, что прикосновение к поверхности кожи вызывает активацию нескольких сенсорных нейронов, которые вместе производят большой сигнал (синаптический потенциал) в каждом из мотонейронов, вызывая запускание в них потенциалов действия. Эти потенциалы обеспечивают поведенческую реакцию — втягивание жабр. Можно было видеть, что при нормальных условиях сенсорные нейроны эффективно взаимодействуют с мотонейронами, посылая им соответствующий сигнал, обеспечивающий рефлекторное втягивание жабр.

Затем мы обратились к синаптическим связям между сенсорными нейронами и мотонейронами. Мы обнаружили, что в результате привыкания, вызываемого неоднократными прикосновениями к поверхности кожи, амплитуда рефлекса втягивания жабр постепенно уменьшается. Параллельно с этим изменением поведения наблюдалось постепенное ослабление синаптических связей. Из-за сенсибилизации, вызываемой ударом тока в переднюю или заднюю часть тела животного, происходило, напротив, усиление рефлекса втягивания жабр, сопровождавшееся и усилением синаптической связи. Из этого мы сделали вывод, что в ходе привыкания потенциалы действия сенсорного нейрона вызывают ослабление синаптического потенциала мотонейрона, приводя к снижению эффективности передачи сигналов, а при сенсибилизации потенциал действия сенсорного нейрона вызывает, напротив, усиление синаптического потенциала мотонейрона, приводя к повышению эффективности передачи сигналов.

В 1980 году мы сделали еще один шаг в использовании нашего редукционистского подхода, изучив, что происходит с синапсами в ходе выработки классического условного рефлекса. Для этой работы к нам с Кэрью присоединился Роберт Хокинс — проницательный молодой психолог из Стэнфордского университета. Хокинс родился в семье ученых, и ему не нужен был Нью-Йорк для расширения кругозора: он уже был страстным поклонником классической музыки и оперы. Будучи прекрасным спортсменом, в Стэнфорде он играл в университетской футбольной команде а затем сосредоточил свои спортивные увлечения на парусном спорте.