Психофизиология памяти в школе Е.Н. Соколова

Объективное изучение ориентировочной реакции в контексте па­мяти было начато Е.Н. Соколовым и его коллегами в 50—60-е гг. Впе­рвые в психологии в опытах использовались методы регистрации объ­ективных показателей физиологических функций. Анализировали электроэнцефалограмму (ЭЭГ), частоту биения сердца, частоту дыха­ния, движения глаз, сопротивление кожи (КГР), плетизмограмму. Ос­новной эксперимент был задуман так, что получали массу возможнос­тей для исследования привыкания — пластичности, играющей важ­нейшую роль в ориентировочно-исследовательском поведении. При­выкание — негативная форма обучения, обнаруживаемая у всех живых существ, независимо от уровня их эволюционного развития. Привыкание стало тем феноменом, который положил начало система­тическому исследованию механизмов памяти. Анализировались изме­нения, происходящие на макроуровне. В экспериментах Е.Н. Соколо­ва была исследована динамика привыкания, выявлены его основные критерии, получены электрофизиологические показатели. Однако по мере накопления экспериментальных данных и появления новых на­учных гипотез выбор объектов для исследований расширялся — на­чавшись с исследований привыкания на уровне человека, в настоящее время он включает анализ нейрогенетических механизмов, изучение генетического контроля эффективности работы синаптических кон­тактов во время формирования пластических изменений.

Исследование памяти методом угашения ориентировочного реф­ лекса. Каждый новый раздражитель, в том числе световой, вызывает комплекс соматических, вегетативных и электроэнцефалографичес­ких реакций — генерализованную ориентировочную реакцию. Но по мере повторения светового сигнала генерализованный ориентировоч­ный рефлекс сменяется изменениями, ограниченными зрительной системой — локальным ориентировочным рефлексом, угасание кото­рого развивается при дальнейшем применении раздражителя. Наибо­лее характерным выражением локального ориентировочного рефлек-

са является депрессия альфа-ритма затылочной области при действии
света.                                                                           ,

Реакции депрессии альфа-ритма характеризуются определенным латентным периодом и длительностью. Фоновая ЭЭГ человека, нахо­дящегося в темноте с закрытыми глазами, выражена высокоамплитуд­ным альфа-ритмом, лишь на короткое время сменяющимся депрес­сией. Наиболее вероятна в этих условиях депрессия длительностью 1—2 с. При открывании глаз число спонтанных реакций возрастает. Появление в поле зрения постоянной световой точки приводит к тому, что число реакций депрессии альфа-ритма, прежде всего тони­ческих, еще более увеличивается. Однако следствием длительной фиксации светящейся точки является постепенное (2—12 опытов) развитие привыкания к ней. В результате спонтанные реакции депрес­сии альфа-ритма тонического типа исчезают, частота фазических ре­акций снижается, и ЭЭГ возвращается к типу, характерному для ЭЭГ при открытых глазах испытуемого в отсутствие фиксации. Что касает­ся реакций депрессии альфа-ритма на световые раздражители разной интенсивности, то они в условиях непрерывной смены уровней интен­сивности при применении 50—60 стимулов в опыте не угасают. Пара­метры депрессии альфа-ритма и вероятность попаданий закономерно связаны с интенсивностью раздражителя. В условиях нанесения раз­ных по силе раздражителей с усилением раздражителя закономерно сокращается среднее значение и дисперсия латентного периода, воз­растает вероятность попаданий. Длительность реакции депрессии альфа-ритма максимальна в области порогового значения стимула.

Можно предположить, что подобная форма зависимости длитель­ности реакции ЭЭГ от интенсивности стимула возникает в силу того, что реакция депрессии альфа-ритма в условиях предъявления сигна­лов разной интенсивности зависит от двух факторов: физической силы раздражителя и трудности обнаружения сигнала при приближе­нии к порогу.

Как меняются рассмотренные параметры реакций депрессии альфа-ритма в ходе многократных применений раздражителей разной интенсивности? Опыты показали, что у большинства испытуемых угашение наступает после 300—500 раздражений. В тех случаях, когда угашение развивалось, оно затрагивало либо одновременно все интен­сивности раздражителей, либо могло начинаться с любой из них. При угашении сначала происходит сокращение длительности депрессии альфа-ритма и лишь потом снижается вероятность попаданий. При этом величина латентных периодов практически не меняется и опре­деляется лишь интенсивностью стимула. Наблюдающееся в ряде слу­чаев увеличение латентного периода связано с формальным примене-

5-1015

66

Нейрофизиология Клеточные основы обучения

7 Механизмы научения

67

 

ннем критериев начала реакции при ослаблении депрессии альфа-ритма.

Из приведенных опытов следует важный вывод о том, что латент­ный период депрессии альфа-ритма определяется прежде всего физи­ческой силон раздражителя, тогда как длительность реакции и вероят­ность ее появления зависит не только от физической силы, но и от степени достигнутого угасания.

Более того, в области надпороговых раздражителей длительность депрессии альфа-ритма и вероятность попадания определяется преж­де всего степенью угашения реакции.

Угашение ориентировочного рефлекса состоит в потенциации си­напсов вставочных нейронов. При этом афферентное коллатеральное торможение усиливается настолько, что реакция на выходе нейрона блокируется. Потенциированная система синапсов, соответствуя сис­теме признаков повторяющегося сигнала, обеспечивает избиратель­ность угашения ориентировочного рефлекса в отношении свойств на­носимого раздражителя. При изменении раздражителя возбуждение поступает через новые синапсы, для которых афферентное коллате­ральное торможение не выработано. Реакция на новый раздражитель тем больше, чем больше включено новых синапсов, т.е. чем большим количеством свойств новый раздражитель отличается от применявше­гося ранее в опыте.

Гипотеза о том, что каждому афферентному входу соответствует особый вставочный нейрон, предполагает чрезвычайно большое число вставочных нейронов. Это приводит к предположению о том, что каж­дому синапсу на пирамидном нейроне соответствует образованный коллатерально синапс на вставочном нейроне. При этом потенциация, ведущая к возрастанию параллельного торможения, возникает в воз­буждающих синапсах на теле вставочного нейрона. Повторение раз­дражителя приводит к сокращению латентного периода тормозного эффекта в отношении многократно применяемого в опыте стимула. Другой раздражитель, адресованный к другому синаптическому аппа­рату того же вставочного нейрона, но не «подготовленного» постси-наптической потенциацией, окажется неэффективным, вставочный нейрон не возбудится и не вызовет торможения. Пирамидный нейрон не будет заторможен и прореагирует.

Характерной чертой угашения ориентировочного рефлекса явля­ется высокая избирательность в отношении параметров стимула. Представление о синаптическом механизме «привыкания» хорошо со­гласуется с этими данными. Известно, что постсинаптическая потен­циация избирательно возникает только в тех синапсах, которые непо­средственно участвуют в проведении сигналов. Таким образом, на

уровне нейрона «внимания» следует ожидать избирательного угаше­ния реакций на сигнал, специфически связанный с той, системой си­напсов, которая участвует в кодировании наносимого раздражителя.

Специально следует остановиться на эффекте растормаживания, который позволяет отличать эффект ослабления реакции от ее угаше­ния. После действия нового раздражителя реакция на прежний сти­мул временно восстанавливается. В рамках рассмотренной схемы этому соответствует временное выключение вставочных нейронов в цепи параллельного торможения. Это можно объяснить, предполо­жив, что кроме возбуждающих синапсов на вставочных нейронах име­ются тормозящие синапсы с высоким порогом, через которые осу­ществляется влияние детекторов новизны. При сильном возбуждении детекторов новизны вставочные нейроны временно отключаются, вы­зывая эффект растормаживания.

На основании имеющихся данных можно высказать предположе­ние о том, что детекторы новизны расположены на разных уровнях ЦНС. Наиболее яркое участие в реакции новизны принимают нейро­ны гиппокампа и глубоких слоев коры. Что касается угасания реакций неспецифического таламуса и неспецифической системы среднего мозга, то не исключено, что они получают готовый сигнал новизны и поэтому угашение реакции у них отражает исчезновение реакции на новизну на другом уровне.

Определение конфигурации следа. Определение конфигурации следа памяти методом регистрации ориентировочного рефлекса осно­вано на том, что его компоненты избирательно угасают в отношении параметров повторяющего сигнала. Изменение любого параметра сти­мула приводит к появлению ориентировочной реакции, величина ко­торой в известных пределах пропорциональна разнице между наноси­мым раздражителем и сформировавшимся следом. После угашения реакции, достигнутого в отношении одного раздражителя, системати­чески изменяя тест-стимулы, можно определить границы сформиро­вавшегося следа. Возможность изучения конфигурации следа памяти путем последовательных проб обусловлена структурой ориентировоч­ного рефлекса, возбуждаемого нервными импульсами, которые возни­кают при сравнении внешнего сигнала со следом памяти. Системати­ческое изучение следовых процессов в зрительном анализаторе чело­века на основе угасания локального ориентировочного ответа в опре­деленной области было проведено в ряде исследований. Задача состояла в том, что, получив угашение реакции депрессии ЭЭГ заты­лочной области на световой стимул фиксированной интенсивности, цвета, положения в пространстве, длительности и периодичности по­явления, последовательно изменять разные параметры стимула так,

5*

Глава I Пеирофичиолошя Клеточные основы обучения

7 Механизмы научения

69

 

чтобы установить конфигурацию следа, возникшего в результате многократных нанесений стимула эталона.

В ходе опыта непрерывно регистрировалась ЭЭГ затылочной об­ласти. После того, как реакции в виде депрессии альфа-ритма угасали, один из параметров сигнала изменялся. Появление реакции при изме­нении стимула говорило о том, что нервная система отличает тест-стимул от следа стимула-эталона. После однократной пробы, чтобы исключить растормаживающее влияние тест-стимула, несколько раз наносился стимул-эталон. Когда реакция на стимул-эталон вновь ус­тойчиво угасала, изменялся другой параметр сигнала. Были проведе­ны опыты с изменением цвета и пространственного положения стиму­ла'. В этом случае один глаз фиксировал центр периметра, а другой — закрывался повязкой. Тест-стимулы последовательно наносились на соседние участки сетчатки. При обработке данных определялась зави­симость длительности ориентировочной реакции или частоты ее по­явления от изменения тест-стимула относительно изучаемого пара­метра стимул-эталона.

Поскольку ранее избирательное угасание было продемонстрирова­но в отношении высоты, интенсивности и других параметров звуко­вых раздражителей, то, обобщая полученные данные, можно сказать, что при многократном повторении раздражителя в памяти с большой точностью фиксируются все параметры сигнала. Таким образом, нерв­ная система, фиксируя в изменении своих элементов совокупность свойств раздражителя, создает в известном смысле «нервную модель стимула», которую можно представить как многомерный самонастра­ивающийся фильтр, избирательно подавляющий повторяющиеся в опыте сигналы. С этой точки зрения, при одновременном изменении ряда параметров сигнала реакция фильтра определяется суммарным эффектом несовпадения тест-стимула со стимул-эталоном.

Опыты показали, что наиболее сильные реакции, включающие ряд вегетативных и соматических реакций, вызывал ритмический раздра­житель, где количество измененных параметров было наибольшим. Полученные данные говорят о том, что отдельные признаки сигнала фиксируются самостоятельно и сличение внешнего сигнала со следом происходит по совокупности признаков.

7.2.2. Нервная модель стимула

Идея о нервной модели стимула, которая составила в дальнейшем теоретическую основу исследований Е.Н. Соколова и его коллег, воз­никла в процессе исследования ориентировочной реакции (1969). Ос­новное содержание гипотезы о нервной модели стимула следующее —

в нервной системе создается след памяти о качествах действующего стимула. Все параметры фиксируются но мере предъявления стимула. При изменении физических характеристик стимул воспринимается как незнакомый. Действие нового стимула вызывает сигнал рассогла­сования с нервной моделью стимула, что ведет к растормаживанию реакции.

Формирование нервной модели стимула начинается с выделения отдельных признаков сигнала. Это осуществляется сетями, составлен­ными из специфических афферентных нейронов. При этом отдельные признаки сигнала кодируются порядковым номером нейрона, стояще­го на выходе нейронной сети. Под влиянием многократных повторе­ний раздражителя афферентные нейронные сети перестраиваются и изменяют свои параметры так, что многократно повторяющиеся при­знаки сигнала подчеркиваются, т.е. в определенных нейронах эти при­знаки приобретают большую скорость поведения при осуществлении специфических рефлексов. Другие нейроны ослабляют свое действие. Облегчение одних и инактивация других элементов нейронной сети приводит к стабилизации реакции и позволяет воспринимать знако­мые предметы быстрее и определеннее, чем малознакомые объекты. На ряде пирамидных нейронов новой коры и гиппокампа (нейронах «внимания») конвергирует множество признаков внешней среды. При этом, по-видимому, каждой отдельной градации признака сигнала со­ответствует отдельный синаптический контакт. Время действия раз­дражителя и интервал между отдельными раздражителями с этой точки зрения кодируется аналогичным образом — номерами нейро­нов, избирательно реагирующих на интервал между раздражителями. Сигнал поступает на нейрон «внимания» прямым путем в виде воз­буждающего постсинаптического потенциала (ВПСП) и параллельно через систему вставочных нейронов, заканчивающихся на нейроне «внимания» тормозящими синапсами в виде тормозного постсинапти­ческого потенциала (ТПСП). В ходе многократного применения раз­дражителя происходит потенциация синаптических контактов вста­вочных нейронов, которые были вовлечены в реакцию. Матрица по-тенциированных синапсов, связанных с определенными свойствами раздражителя, хранит «конфигурацию» сигнала и является «нервной моделью стимула».

Исследование динамики ориентировочного рефлекса у человека и животных показало, что ориентировочная реакция возникает не на сам стимул, а в результате сличения стимула со следом, остав­ленным в нервной системе предшествующими раздражителями. Если данный стимул и след, оставленный ранее предъявленными раздражителями, совпадают, то ориентировочная реакция не возни-

70

'laud 1 Нейрофизиология Клеточные основы обучения

7 Механизмы научения

71

 

кает, если же не совпадает, то ориентировочная реакция возникает, причем она тем интенсивнее, чем больше различий между новым сти­мулом и следом, оставленным в результате многократного нанесения предшествующих стимулов. Конфигурация следа, оставленного в нервной системе в результате повторения раздражителя, фиксирует все параметры сигнала. Можно сказать, что нервная система мо­дификацией своих элементов строит нервную модель внешнего стимула.

Нервная модель стимула как селективный фильтр. Раздражи­тель, параметры которого строго фиксированы, при первом примене­нии вызывает у человека и животных целый комплекс реакций, вклю­чающий движение глаз в направлении стимула, кожно-гальваничес-кую реакцию, сосудистые изменения и депрессию альфа-ритма. Рас­смотрим случай, когда раздражителем служит световое пятно, подаваемое с помощью проекционного периметра в определенный участок поля зрения человека. Размер пятна, его интенсивность, дли­тельность и интервал между отдельными предъявлениями строго по­стоянны. После 10—15 предъявлений стимула компоненты генерали­зованного ориентировочного рефлекса угасают. Более устойчиво удерживаются локальные проявления ориентировочного рефлекса в виде депрессии альфа-ритма в затылочной области. После 30—40 предъявлений и эта реакция заметно редуцируется или полностью угасает. Тогда один из параметров стимула изменяется. При измене­нии любого из фиксированных параметров стимула на величину, пре­восходящую разностный порог, возникает реакция депрессии альфа-ритма, которая иногда сопровождается кожно-гальванической реак­цией и движением глаз. Таким образом, под влиянием повторения стимула, обладающего фиксированными параметрами, нервная систе­ма селективно блокирует все сигналы, которые лежат в окрестности его фиксированного параметра. Вместе с тем все сигналы, лежащие вне фиксированного параметра, вызывают реакцию. Можно сказать, что нервная система вырабатывает селективный фильтр. Этот фильтр является самонастраивающимся и многомерным. Нервная модель стимула выполняет в таком фильтре функцию маски, отбирающей сигналы.

Поиск локализации нервной модели привел к разворачиванию работ на нейронном уровне. Где и в какой форме происходит фикса­ция параметров действующего стимула? Сначала эксперименты про­водили на кроликах, регистрируя электрическую активность нейро­нов различных структур мозга экстраклеточными микроэлектродами, а затем, по мере углубления представлений о механизмах, участвую­щих в фиксации характеристик поступающего сигнала, стали выпол-

нять опыты на моллюске Limnaea stagnalis и на моллюске Helix рота- tia. Ответ на вопрос о конкретных нейрофизиологических механиз­мах, участвующих в «запоминании» параметров действующего стиму­ла, искали при помощи микроэлектродной регистрации внутрикле­точных процессов, которые развивались в отдельных клетках во время привыкания, а затем и при более сложных формах обучения (Соко­лов, 1969, 1981).

7.2.3. Простые системы в исследованиях механизмов обучения

Сложность признаков сигналов, используемых ЦНС позвоночных животных, затрудняет детальный анализ формирования нервной мо­дели стимула в процессе негативного научения. Переход на нейроны моллюсков позволил изучить этот механизм в более простых услови­ях. Кроме того, наличие гигантских нейронов в ганглиях моллюсков позволяет осуществить внутриклеточное изучение негативной формы обучения в течение достаточно длительного времени.

Поведенческие опыты на улитках показали, что реакция в виде сокращения щупалец по мере повторения раздражения исчезает. Это привыкание специфично в отношении наносимого раздражения и от­носительно устойчиво, отличаясь от утомления и сенсорного утомле­ния. Так, у Б. Холмгрена и С. Френка (1964) эффект привыкания был продемонстрирован на улитке методом внутриклеточной регистрации реакций отдельных нейронов. На нейронах абдоминального ганглия аплизии было обнаружено привыкание к механическим раздражени­ям кожи. Исследователи сразу оценили ряд преимуществ, характер­ных для электрофизиологического исследования гигантских нейро­нов.

Е.Н. Соколов и В.П. Дуленко (1968) в опытах на виноградной улитке изучали привыкание отдельных нейронов. Были использова­ны те же приемы, что и при изучении «негативного научения» на нервных клетках мозга кролика. В качестве раздражения применяли стимулы, наносимые на кожу ноги. Длящееся прикосновение вызыва­ло эффект лишь своей начальной фазой, при продолжающем действии тактильного раздражителя на одну точку кожи реакция постепенно исчезала.

До опытов Е.Н. Соколова и его коллег в 60—70-е гг. никто серьезно не изучал пластические свойства пейсмекерного потенциала нейрона, хотя многих исследователей привлекала эта необычная по своему ге-незу и функциям активность нервных клеток. Моделируя ситуацию привыкания на одной клетке при внутриклеточной регистрации ее электрической активности, Е.Н. Соколов, А.Л. Крылова и Г.Г. Араке-

72

I.ыва I Нейрофизиология Клеточные основы обучения

7 Механизмы научения

73

 

лов открыли феномен эндонейронального привыкания, в основе кото­рого лежи г пластичность пеисмекерного механизма. Электрофизио­логические характеристики пейсмекерных потенциалов, их роль в ор­ганизации поведения, участие в процессах памяти изучались на полу-интактных препаратах и полностью изолированных нейронах. Осо­бенностью пейсмекерной активности является ее генетическая заданность, а многообразие проявлений пейсмекерной активности нейрона дает возможность подойти к исследованию проблемы нейро-генетических механизмов памяти. Результаты, полученные в опытах А.Л Крыловой и Г.Г. Аракелова, сделали возможным предположение об эндонейрональной природе энграммы, формирующейся в процессе негативного обучения. В дальнейшем идеи об эндонейрональной при­роде пластичности пейсмекерных потенциалов были подтверждены в экспериментах на полностью изолированных нейронах виноградной улитки. На этом препарате была воспроизведена вся основная фено­менология, открытая исследователями на полуинтактных препаратах и препарате изолированной нервной системы, в том числе и привыка­ние (рис. 6).

Рис 6 Привыкание изолированного нейрона Helix pomatia к повторяющимся электричес­ким раздражениям через внутриклеточный микроэлектрод Сила тока 1,5 нА, длитель­ность импульса 10 с а—в — ответы на 1, 5 и 9 предъявление, г—ответ на применение деполяризационного тока силой 0,6 нА (экстрастимул), д — ответ на стимул прежней силы после предъявления экстрастимула (частичное растормаживание) Калибровка

ЮмВ, 1 с

Детальное изучение внутриклеточных механизмов привыкания и ассоциативного обучения предполагает использование нейронов, позволяющих не только вводить в них микроэлектроды, но и ло­кально апплицировать биологически активные вещества. Для про­верки гипотезы о внутриклеточном механизме обучения важно по-

лучать изолированные нейроны. Всем этим условиям удовлетворяют гигантские нейроны моллюсков. В поведенческих опытах было по­казано, что у моллюсков можно выработать как привыкание, так и более сложные формы обучения. Однако, прежде чем описывать пластические изменения в идентифицированных нейронах моллюс­ка, необходимо рассмотреть некоторые общие закономерности их развития.

Селективность привыкания. Наличие двух пейсмекерных по­тенциалов, каждый из которых запускает свой независимый ПД фиксированной амплитуды и следовой гиперполяризации, позволя­ет изучить степень селективности развития привыкания. Повторе­ние применения деполяризующего тока постепенно перестает вы­зывать реакцию одного пеисмекерного локуса, но продолжает уве­личивать частоту другого пеисмекерного потенциала и связанного с ним ПД.

Следует обратить внимание на то, что степень адаптации при непрерывном раздражении не коррелирует со скоростью развития привыкания. Сильная адаптация в одном локусе может сопровож­даться слабым привыканием к току. Наоборот, локус со слабо выра­женной адаптацией при многократном повторении раздражений может давать эффективное привыкание к внутриклеточному раз­дражению. Таким образом, локальность адаптации может не совпа­дать с локальными процессами, ответственными за привыкание. Развитие привыкания в одном из локусов может определяться: 1) выработкой компенсации сдвига мембранного потенциала с постстимульной гиперполяризацией; 2) выработкой локального из­менения плотности тока в одном из пейсмекерных локусов; 3) ло­кальной компенсацией действующего тока с торможением пейсме­керной активности, но без сдвига мембранного потенциала. Пере­рыв, введенный между стимулами, приводит к тому, что реакция восстанавливается и требуется повторение раздражений, чтобы опять получить привыкание. Нанесение более сильного стимула не только само вызывает реакцию, но и приводит к локальному восста­новлению реакции на более слабый раздражитель, который ранее использовался в опыте для угашения реакций. Последнее обстоя­тельство имеет особое значение как воспроизведение эффекта «рас-тормаживания», характерного для поведенческого привыкания. Действительно, при развитии утомления, сенсорной адаптации или десенситизацни более сильный раздражитель лишь подавляет дей­ствие более слабого Для проверки селективности привыкания ис­пользуется применение тока противоположного знака — изменение направления тока не только вызывает реакцию в локусе, подверга-

74

Нейрофизиология Клеточные основы обучения

7 Механизмы научения

75

 

АХ С

АХ С

ющемся действию многократного раздражения, но и восстанавливает реакцию на ток того знака, который применяли в основном опыте по привыканию. Таким образом, смена направления тока также вызывает растормаживание.

Многократное повторение гиперполяризующих импульсов тока приводит к тому, что величина реакции, заключающейся в подавле­нии пейсмекерной активности, постепенно уменьшается. Привыкание к гиперполяризующему току развивается преимущественно в одном из пейсмекерных локусов. Это также характеризует селективность в развитии привыкания. Нанесение более сильного раздражителя, одно­кратная замена тока по знаку — все это вызывает растормаживание, как и в случае деполяризующего тока.

Для изучения взаимодействия ПСП и пейсмекерных потенциалов можно имитировать ВПСП и ТПСП при помощи импульсов тока, по­скольку в этом случае сопротивление мембраны остается постоянным. Регулярные импульсы тока, подаваемые через введенный в клетку микроэлектрод, вызывают сдвиг мембранного потенциала, регистри­руемый вторым внутриклеточным микроэлектродом.

Наиболее простой формой взаимодействия постсинаптических по­тенциалов (ПСП) с пейсмекерным потенциалом является случай, когда происходит линейная суммация пейсмекерного потенциала с вызванным сдвигом мембранного потенциала, имитирующего ПСП. В чистом виде такая суммация может наблюдаться в том случае, когда генерация ПД выключена.

Функция постсинаптических структур в процессах обучения и па­мяти с наибольшей наглядностью проявлялась в опытах на полностью изолированных нейронах — ввиду особенностей данной биологичес­кой модели все пластические изменения связаны только с соматичес­ким отделом нейрона и часть из них имеет эндонейрональную локали­зацию. Например, в опытах на изолированных клетках работа синапса моделируется при помощи микроионофоретически наносимого в хе-мочувствительные участки мембраны нейромедиатора. Повторное на­несение медиатора в один и тот же локус может приводить к развитию десенситизации (постепенной потере чувствительности мембраны к действующему нейромедиатору) или сенситизации (повышению чув­ствительности к нейромедиатору) (рис. 7, а). Удивительно, что хемо-чувствительные локусы мембраны одного и того же нейрона могут демонстрировать разнонаправленные изменения при повторных при­менениях медиаторов (рис. 7, б). Еще более удивительно, что такие изменения могут развиваться независимо одно от другого при одно­временной (несинхронизированной) стимуляции сразу двух локусов (рис. 7, в).

 

АХ С     АХ

АХ С

Рис 7 Пластичность ответов на нейромедиаторы ацетилхолин (АХ) и серотонин (С), апплицируемые к изолированной соме идентифицированного нейрона ЛПа2 виноград­ной улитки а — развитие десенситизации при повторных предъявлениях АХ, б — сенси-тизация при повторных действиях С, в — развитие десенситизации и сенситизации при одновременном проведении стимуляции АХ и С Калибровка' 10 мВ, 1 с

Многообразие следовых эффектов, обнаруживаемых в опытах на полностью изолированных нервных клетках, простота формирования ассоциативных связей между действующими нейрохимическими и электрическими воздействиями, поступающими на нейрон в опытах, моделирующих различные ситуации обучения, демонстрируют ис­ключительно высокую степень пластичности, потенциально заложен­ную в каждую нервную клетку. По-видимому, в дальнейшем, вступая в нейронные связи, создаваемые мозгом по определенным критериям, нейроны реализуют тот пластический потенциал, который они изна­чально имели до формирования системы.

Два возможных механизма постсинаптической пластичности. Опыты с ионофоретической аппликацией АХ на соматическую мембрану нейрона приводят к представлению о двух механизмах постсинаптической пластичности. Проявлением первого механизма является постсинаптическое изменение чувствительности рецепторов мембраны. Второй механизм проявляется в ослаблении действия вы­званного медиатором синаптического ВПСП на пейсмекерную актив­ность.

Чрезвычайно интересным представляется тот факт, что изменение частоты генерации пейсмекерных ПД и смещение уровня МП при привыкании и фасилитации к микроаппликации медиатора могут протекать относительно независимо Это свидетельствует о том, что, по-видимому, в основе привыкания пейсмекерных ПД к постоянным сдвигам МП лежит особый механизм, отличный от десенситизации. Возможно, оно происходит за счет уменьшения влияний вызванного АХ ионного тока на пейсмекерный локус, как это имеет место при внутриклеточной инъекции ионов. Особый эффект аппликации АХ

76

Г пава I Нейрофизиология Клеточные основы обучения

7 Механизмы научения

/7

 

состоит в ускорении или замедлении пейсмекерных ПД без сдвига МП нейрона. В связи со случаями подавления или усиления пейсме-керной активности без признаков изменения МП при прямом воздей­ствии АХ на мембрану сомы, аналогичными действию «ускоряющих» или «замедляющих» синапсов, возникает предположение об особой чувствительности пейсмекерного локуса к медиатору.

Химическая чувствительность сомы нейрона к медиатору имеет существенное биологическое значение. Ученые считают, что кроме обычной синаптической передачи существует экстрасинаптическая реализация медиатора, не опосредованная специфической анатоми­ческой организацией. Очевидно, в этом случае передатчик, диффунди­руя в межклеточное пространство и действуя прямо на сому нейрона, снабженную адекватными хеморецепторами, тем самым модулирует нейронную активность. Исходя из этой гипотезы, нельзя исключить возможность прямого нейрогуморального влияния на пейсмекерный локус и в естественных условиях. Таким образом, реакции, получен­ные в этих опытах, являются не только аналогами синаптических от­ветов, но, возможно, отражают и естественную для них форму переда­чи возбуждения экстрасинаптическим путем.

Jo _

Важным фактом, заставляющим связывать пластические измене­ния с деятельностью постсинаптических структур, являются измене­ния, развивающиеся при повторных предъявлениях внутриклеточных импульсов тока. Из наших экспериментов следует, что пластические изменения при микроаппликации АХ могут быть аналогичны полу­ченным при внутриклеточной стимуляции и развиваться при посто­янной чувствительности хеморецепторов мембраны. Механизмы при­выкания при инъекции ионов и аппликации АХ оказываются связан­ными с пейсмекерным потенциалом. Привыкание и фасилитация в звене пейсмекерного механизма могут развиваться и без сдвига МП. Эти формы привыкания и фасилитации также отличаются от явлений сенситизации и десенситизации рецепторов, при которых наблюдает­ся уменьшение и полное исчезновение вызванных медиатором сдви­гов МП (рис. 8).

_ h _

(г)

(а)

(б)

(e)

(д)

Рис 8 Изменение амплитуды ПД при повторении деполяризационного стимула силой 0,35 мВ, длительностью 1 с (а — д) Стимул предъявляется с частотой 1 раз в 15 е — восстановление амплитуды ПД через 1 мин перерыва в предъявлении стимулов

Калибровка 10 мВ 1с.

Факты, свидетельствующие о селективном угасании реакций в разных участках соматической мембраны, доказывают, чтр нейрон привыкает к раздражителю не как единое целое, а как сложная систе­ма гетерогенных локусов, которые могут изменять свою реакцию на раздражитель независимо друг от друга.

7.3. Пластичность нейронов

Классические условные рефлексы первым описал в начале XX в. И.П. Павлов. При классическом условном рефлексе исходно неэф­фективный раздражитель, называемый условным (точнее его следова­ло бы назвать раздражителем, который должен стать условным), по­вторно сочетается с высокоэффективным раздражителем, называе­мым безусловным. Вначале условный раздражитель вызывает лишь слабый ответ или не вызывает вообще никакого ответа; безусловный раздражитель провоцирует бурную реакцию без какого бы то ни было предварительного обучения. В результате выработки условного реф­лекса (обучения) условный раздражитель приобретает способность вызывать либо более сильный, либо новый ответ. Для того, чтобы об­разовалась условная связь, произошло обучение, условный раздражи­тель должен коррелировать с безусловным, предшествуя ему на неко­торый критический промежуток времени. Считается, что в результате животное обуч