§ 2. Клеточные аналоги условного рефлекса

руоеляют две основные гипотезы обучения: синоптическую, предполагающую, _чТо механизмом формирования условных рефлексов является изменение эффек­тивности синапсов, и мембранную, утверждающую, что основным механизмом условного рефлекса является изменение свойств возбудимой иостсинаптической мембраны. Как мы увидим далее, такое деление весьма условно, однако представ­ляется удобным для первого знакомства с проблемой.

Нервные механизмы обучения обеспечиваются благодаря двум основным свойствам нервной системы — реактивности и пластичности. Если реактив­ность — это способность отвечать па раздражения, то пластичность — это способ­ность изменять реактивность иод влиянием последовательных раздражений. В свою очередь, реактивность определяется возбудимостью постсинаитической мембраны и эффективностью соответствующих синапсов. Возбудимость нейрона измеряется силой тока, необходимой для генерации потенциала действия, а синоп­тическая эффективность — амплитудой моносинаптического постсинаптическо-го потенциала.

Уже давно высказывалось предположение о том, что в основе обучения лежит изменение эффективности межклеточных контактов, или проторение новых кон­тактов. На рис. 77 приведены основные схемы. Простейшим является синапс Дж. Экклса (а), повышающий свою эффективность после собственной активации (фасилитация). Такие синапсы могут служить для объяснения феноменов постте-танической потенциации. Дополнением к ним являются синапсы с постепенным снижением эффективности при повторной активации (б). Они могут обеспечи­вать эффекты габитуации и дегабитуации. Как мы уже отмечали, при выработке условных рефлексов необходимо временное совпадение пресинантической акти­вации с активацией подкрепляющих систем, которые могут оказывать также пре-синантическое действие (в). Д. О. Хебб (1969) главным условием синаптической модификации считал совпадение пресинантической активности с разрядом иост-синаптического нейрона (г). Затем к этому была добавлена модель Альбуса, свя­занная пе с увеличением эффективности синапса, а с ее снижением (д). Наконец, в качестве синтетической схемы (е) рассматриваются случаи изменений синапти­ческой эффективности с участием трех факторов — сенсорного притока, актива­ции подкрепляющей системы и достижения результата.

Вопрос о характере преобразований нейрональной активности в динамике вы­работки условного рефлекса начал исследоваться в связи с внедрением в практи­ку физиологического эксперимента тонких методов микроэлектродпого анализа ^{и ,Юс}ледующей компьютерной обработки импульсных реакций нейронов. Попыт­ки использовать внутриклеточную регистрацию постсипаптических электриче­ских потенциалов привели к необходимости проводить исследования либо па относительно простых нервных сетях, либо па центральных нейронах высших млекопитающих с максимальным упрощением требуемых для анализа межпей-Ронных отношений. Такие упрощенные модели принято рассматривать в качестве клеточных аналогов условного рефлекса.

4е_л ^ШЮ" ^ве11геР^ских физиологов (О. Фехер, А. Барани, 1981) разработана мо-ассоциативного обучения, при котором сигнал меняет свое действие под нием последующего безусловного эффекта.

Рассмотрим процедуру обусловливания при «условном» раздражении вентро-латералыюго ядра таламуса (ВЛ) и антидромной стимуляции пирамидного трак­та («безусловный стимул»). Сначала, как показано па рис. 78. электрическая сти­муляция ВЛ с частотой 1 с сопровождается только нодпороговыми ПСП. После­дующее антидромное раздражение пирамидного тракта вызывает один потенциал действия. По мере сочетаний раздражения таламуса с антидромной стимуляцией амплитуда и/или длительность ТПСП увеличиваются и остаются таковыми в те­чение нескольких минут. Амплитуда ВПСП изменяется также, но к 50-му сочета­нию ВПСП достигает порога генерации и «условный» сигнал начинает вызывать 1-2 потенциала действия. Эффект антидромного раздражения при этом не меня­ется. К 100-му сочетанию амплитуда ВПСП еще больше возрастает, а число по­тенциалов действия достигает трех. Если проводить угашепие, то есть подавать одно «условное» раздражение, пе сопровождая его антидромной стимуляцией, _то амплитуда ВПСП и число генерируемых потенциалов действия уменьшается, спустя 350 изолированных раздражений таламического ядра ответная «услов­ная» реакция исчезает. Внутриклеточная поляризация исследуемого нейрона, при­водившая к генерации потенциалов действия, усиливала эффект раздражения вентролатералыюго таламуса. Однако ни многократное применение только «услов­ного» стимула, ни псевдообусловливание (процедура применения условного и безусловного раздражителей в случайном порядке) не привели к генерации по­тенциалов действия исследуемого нейрона. Уровень мембранного потенциала и сопротивление мембраны при выработке временной связи менялись по-разному в различных клетках. Это позволило думать об определяющей роли при выработке временной связи избирательных синоптических сдвигов.

Было показано, что положительные и дифферепцировочные связи с иссле­дуемым нейроном опосредуются разными синапсами независимо друг от друга. Е. И. Соколов (1931) справедливо полагает, что элементарным локусом пластическо­го изменения является не нейрон, а синапс. Речь идет о синапсе Хебба, который се­лективно изменяется, если за сипантической посылкой следует спайковый разряд нейрона. Такое явление получило наименование гетеросинаптического облегчения.

Этот же феномен использовался для объяснения ряда эффектов обусловлива­ния в другой модели (Л. Л. Воронин, 1982). Синаитические аналоги условного рефлекса создавались в зоне коркового представительства передней конечности бодрствующего кролика сочетаниями электрического раздражения двух точек ко­ры. Условным стимулом служило нодпороговое (неэффективное) раздражение коры на некотором расстоянии от исследуемого коркового нейрона, а безуслов­ным — пороговое для постсинаптической реакции раздражение поверхности коры над исследуемым корковым нейроном. При активирующих формах условной свя­зи в ответ иа условный стимул возникали ВПСП, амплитуда которых постепенно возрастала до критического уровня генерации потенциалов действия (рис. 79). При отмене подкрепления, то есть при угашении, амплитуда ВПСП постепенно уменьшалась с прекращением генерации спайковых разрядов.

Рис. 79. Усиление ВПСП и импульсных реакции на аналоге ^ корково-коркового условного рефлекса (по Л. Л. Воронину, 1986)

оси ординат — изменение амплитуды ВПСП в ходе опыта; по оси абсцисс — номера сочетаний; соч ^{АЫе К}РУ^ЖКИ — амплитуда ВПСП в ответ на изолированный УС; темные кружки — то же во время аний; вертикальные черточки и стрелки отмечают генерацию частичного и полномерного потен­циалов действия соответственно

_Ва ^Р^{и то}рмозиых формах временной связи условный стимул постепенно вызы-рое ^^{азвивающееся} угнетение механизма генерации импульсных разрядов, кото-не сопровождалось существенной гиперполяризацией мембраны клетки или ^0верным уменьшением ВПСП. При этом установлено, что дифферепцирова­ние одним и тем же нейроном подкрепляемых и неиодкреилж мых стимулов рея-лизуется различными сипаптическими входами и поддерживается благодаря _м_т ханизмам гетеросинаптического облегчения.

Одной из моделей аналога временной связи на мпкропопу.ляции нейронов ко­ры больших полушарий является микроиоиофоретическая аппликация медиато­ров (глутамата и ацетилхолипа), используемых в качестве аналогов ассоцииру_е мых раздражителей (Б. И. Кот.тяр, 1986). Установлено, что отдельные нейроны микропопуляции в радиусе действия медиаторов обнаруживают специфические ассоциативные перестройки своей активности. Последние могут заключаться в следующем: изменения реактивности к сигнальному раздражителю, воспроизве­дение реакции на подкрепляющий раздражитель в ответ на действие условного сигнала и реакция па время в границах действия ассоциируемых раздражителей.

В. С. Русинов (1969) пришел к выводу, что суммациоппый рефлекс и доминан­та представляют собой начальные стадии образования любого условного рефлек­са и сами по себе могут служить удобной моделью для изучения простых форм временной связи. Им была разработана модель корковой поляризационной домим панты, состоящая в том, что поляризация постоянным током участков сеисомо-' торной коры кролика при действии ранее неэффективных раздражителей — све­товых вспышек, приводила теперь к ритмическому сокращению передней конеч­ности (корковая проекция которой поляризовалась) в такт световой стимуляции. Установившаяся под влиянием поляризации новая форма реагирования па раз­дражитель сохраняется до 30 мин после выключения тока.

Эта модель послужила существенным толчком для выявления пластических характеристик корковых нейронов. Установлено, что поляризация слабым носто-| янным током увеличивает активность полисепсорных нейронов, что является од­ним из непременных механизмов возникновения движения на ранее индиффе­рентный раздражитель. Причем функциональные и морфологические сдвиги про­исходят пе только в пирамидных нейронах, по и в нптерпейропах и глиальпых клетках, которые также подвергаются поляризации.

Все основные свойства доминанты — повышенная возбудимость, стойкость возбуждения, способность к суммированию возбуждении, инерции, торможению и растормаживанию — были обнаружены на вышеописанной моде. ш. В доминант­ном очаге происходит установка па определенный уровень стационарного возоу-ждепия, способствующий суммированию ранее поднорогоиы.х возбуждений и пе­реводу на оптимальный для данных условий ритм работы, когда этот очаг стано­вится наиболее отзывчивым и тормозятся другие работающие очаги. Иными словами, образуется единый функционально организованный ансамбль, wiu систе­ма. Подчеркивается особая роль нейронов нижних слоев коры, которые дольше сохраняют ритм раздражения, чем клетки верхних слоев. Обращается серьезное внимание на существование в системе базальпых депдритов пирамидных клеток деидродепдритических контактов, которые рассматриваются как важнейший суо-страт межпейроппых отношений. В. С. Русинов полагает, что наиболее адекват ным отражением функционального состояния системы нейронов является УР вепь их постоянного потенциала, а следовательно, электротопическне влияни имеют наиболее существенное значение для образования временной связи. Пол ризациоппый очаг, созданный постоянным током, служи i удачной моделью ДЛ* изучения поляризационно-электротонической гипотезы формирования домин*" ты и простых форм временных связей (В. С. Русинов, 1969).

Специальное внимание к нейроглиальным взаимоотношениям при формиро­вании клеточных аналогов условного рефлекса привлек А. И. Ройтбак (1969). Он вьпвинул глиальную гипотезу, согласно которой в основе образования и укрепле­ния временных связей лежит миелинизация центральных аксонов, возбуждаю­щихся от условного раздражения. При действии безусловного раздражения в со­ответствующих областях коры происходит деполяризация глиальных клеток: воз­буждение большого числа нервных элементов импульсами из специфических _и неснецифических путей приводит к выделению в межклеточные щели и аккуму­ляции ионов калия. Автор полагает, что деполяризация олигодендроцитов слу­жит сигналом к образованию миелина; условием миелинизации является совпа­дение во времени деполяризации олигодендроцитов и физико-химических из­менений в прилегающих немиелинизированных пресииаитических терминалях после нх предшествующего возбуждения (рис. 80).

В последние годы широко развернулись исследования механизмов временных связей на животных с относительно простой нервной системой. Наиболее удоб­ными для экспериментирования оказались моллюски. Простейшей моделью слу­жил полностью изолированный нейрон висцерального ганглия виноградной улитки. Локальная аппликация ацетилхолина сочеталась с внутриклеточной инъ­екцией деполяризующего тока, в результате было показано, что изолированные нейроны моллюсков (то есть лишенные своих сетевых свойств) не способны фор­мировать ассоциативный ответ в виде воспроизведения безусловной реакции сиг­нальным раздражителем.

Рис. 80. Схема процесса образования временной связи (по А. И. Ройтбаку,1972)

а— «потенциальный» синапс; б— образование временной связи (преврашение «потенциального» си­напса в «актуальный»). 1 — пресинаптический участок нервного окончания; 2 — синаптическая шель; ³ олигодендроцит; 4 — миелиновая оболочка; 5 — медиатор в синаптических пузырьках. Эффек­тивность проведения тока по терминальному волокну увеличивается вследствие формирования во­круг него оболочки из олигодендроиита

Клеточные механизмы образования условного рефлекса па морском моллюске ^а"лизии изучались Э. Кенделом (1980). Исследовался оборонительный рефлекс: Условный сигнал — умеренной силы раздражение сифона, вызывающее втягива­ние жабры в мантийную полость, безусловный раздражитель — сильная стимуля­ция хвоста. В результате сочетаний защитная реакция на стимуляцию сифона Усиливалась. Удобство этой модели состояло в том, что был точно определен ней­ронный состав рефлекторной дуги, в которую входят 24 сенсорных нейрона, обра-^оцше прямые связи с интернейронами и 6 моторными нейронами, иниервирую-ми жабру и сифон. Стимуляция хвоста возбуждает нейроны, контактирующие ^П^^СИ11аптическими окончаниями сенсорных нейронов.

Данной модели обнаружились явления сенситизации, привыкания и нейро-Ральиого (субклеточно-молекулярного) воздействия безусловного раздражи­теля на всех этапах выработки временной связи. Суммация заключалась в песце пифическом гетеросииаптическом облегчающем эффекте — увеличении ВПСП связанном с увеличением выброса медиатора из нресинаптического окончания' Суммация этих процессов приводит к возникновению длительной деполяриза­ции, составляющей сущность проторения путей при образовании временной свя­зи. Процессы привыкания связаны с ограничением потоков кальция в иресинап-тические окончания, что приводит к гиперполяризации нейронов и снижению их ответа на безусловный раздражитель. Нейрогуморальпый эффект безусловно­го раздражителя достигался благодаря механизмам регуляторпых пейронентидов (см. гл. 9).

Э. Кендел (1980) считает, что в основе условной реакции втягивания жабры у аплизии лежит механизм нресинаптического облегчения (сенситизации), кото­рый формируется при конвергенции раздражителей, приводящих к спайковой ак­тивности нейрона, и активации этого же нейрона через модулирующий вход от безусловного раздражителя. Аналогичный механизм допускается и у позвоноч­ных животных, хотя прямые доказательства этого отсутствуют.

Какими бы информативными для задач общей нейрофизиологии ни были ана­литические подходы к исследованию наркотизированных или обездвиженных пре­паратов позвоночных и беспозвоночных животных с использованием различных моделей и аналогов условных рефлексов, их конечной целью является расшифров­ка тех феноменов мультипейронпой активности, которые регистрируются па бодр­ствующем мозге при выполнении животным того или иного целостного условно-рефлекторного акта. Сегодня мы еще не можем использовать весь арсенал сведе­ний аналитической нейрофизиологии для понимания клеточной активности бодрствующего мозга. Различия двух основных подходов базируются на степени проявления свойства пластичности, а именно — высокой изменчивости реакций одного и того же нейрона у бодрствующего животного и значительно большей ста­бильности реагирования нервных клеток у наркотизированных препаратов.