Научение как образование «следов» и как системогенез
Системно-селекционная концепция научения
Идея развития, наряду с идеей системности, относится к фундаментальным положениям теории функциональных систем. Обе они были воплощены в концепции системогенеза, которая сформулирована с привлечением обширного экспериментального материала, накопленного при исследовании формирования нервной системы и поведения. В этих исследованиях было обнаружено, что в процессе раннего онтогенеза избирательно и ускоренно созревают именно те элементы организма, имеющие самую разную локализацию, которые необходимы для достижения результатов систем, обеспечивающих выживание организма на самом раннем этапе индивидуального развития [12].
В настоящее время становится общепризнанным, что многие закономерности модификации функциональных и морфологических свойств нейронов, а также регуляции экспрессии генов, лежащие в основе научения у взрослых, сходны с теми, которые определяют процессы созревания, характеризующие ранние этапы онтогенеза [9,10]. Это дает авторам основание рассматривать научение как реактивацию процессов созревания, имеющих место в раннем онтогенезе.
В теории функциональных систем, наряду с признанием специфических характеристик ранних этапов индивидуального развития по сравнению с поздними [3,41], уже довольно давно [32,36] было обосновано представление о том, что системогенез имеет место не только в раннем онтогенезе, но и у взрослых. Формирование нового поведенческого акта в любом возрасте есть формирование новой системы - системогенез.
Позднее был сделан вывод о том, что принципиальным для понимания различий роли отдельных нейронов в обеспечении поведения является учет истории формирования поведения, т.е. истории последовательных системогенезов [3,5], а затем разработана системно-селекционная концепция научения ([147], см. также в [4,6,7,38]).
Системно-селекционной концепции созвучны современные идеи о «функциональной специализации», пришедшие на смену идеям «функциональной локализации», и о селективном (отбор из множества клеток мозга нейронов с определенными свойствами), а не инструктивном (изменение свойств, «инструктирование» клеток соответствующими сигналами) принципе, лежащем в основе формирования нейронных объединений на ранних и поздних стадиях онтогенеза [77]. Представление, сложившееся как в когнитивных науках, так и в биологии, о том, что индивид снабжен «многоцелевыми» врожденными элементарными «кирпичиками» - «примитивами», из которых в условиях инструктирующего влияния среды может быть сконструировано что угодно в процессе «ассоциативного обучения», подвергается разносторонней критике [126]. Так, например, Дж. Эдельманом доказательно обосновываются преимущества представления, согласно которому научение есть процесс селекции и прогрессивной специализации [77].
Принцип селекции по Эдельману может быть сведен к следующим положениям. В мозгу формируются группы нейронов, каждая из которых по-своему активируется при определенных изменениях внешней среды. Специфика группы обусловлена как генетическими, так и эпигенетическими модификациями, происшедшими независимо от упомянутых изменений. Селекция имеет место уже при созревании мозга в раннем онтогенезе, в процессе которого множество нейронов гибнет. Отобранные же клетки составляют первичный ассортимент. Вторичный ассортимент, формируется в результате селекции, происходящей при научении в процессе поведенческого взаимодействия со средой. Принятие положения о селекции как основе развития на всех его этапах устраняет дихотомию между созреванием и научением [134].
В рамках системно-селекционной концепции научения формирование новой системы рассматривается как формирование нового элемента индивидуального опыта в процессе научения. В основе формирования новых функциональных систем при научении лежит селекция нейронов из «резерва» (предположительно низко активных или «молчащих» клеток). Эти нейроны могут быть сопоставлены с первичным ассортиментом и обозначены как преспециализированные клетки.
Селекция нейронов зависит от их индивидуальных свойств, т.е. от особенностей их метаболических «потребностей». Отобранные клетки становятся специализированными относительно вновь формируемой системы. Эти нейроны могут быть сопоставлены с вторичным ассортиментом по Эдельману.
Специализация нейронов относительно вновь формируемых систем — системная специализация — постоянна. (Интересно, что сформированная «память» иммунных клеток также постоянна, они никогда не «забывают» [93].) Таким образом, новая система оказывается «добавкой» к ранее сформированным, «наслаиваясь» на них.
Положения о наличии в мозге животных разных видов большого числа «молчащих» клеток, об увеличении количества активных клеток при обучении, а также о том, что вновь сформированные специализации нейронов остаются постоянными (в эксперименте - в течение всего периода хронической регистрации: недели и даже месяцы), и что при научении происходит скорее вовлечение новых нейронов, чем переобучение старых, согласуются с данными, полученными в работах ряда лабораторий [59,63,99,152,156,160,162].
Актуализация памяти при реализации поведения
Как используется материал памяти, сформированный при научении, для реализации поведения? В экспериментах с регистрацией активности нейронов, специализированных относительно систем разного «возраста», обнаружено, что осуществление поведения обеспечивается не только посредством реализации новых систем, сформированных при обучении актам, которые составляют это поведение, но и посредством одновременной реализации множества более старых систем, сформированных на предыдущих этапах индивидуального развития. Последние могут вовлекаться в обеспечение многих поведений, т.е. относиться к системам, которые являются общими для разных актов. Замечу, что если один и тот же нейрон, принадлежащий к такой «общей» системе, вовлекается в разные акты, то характеристики его активации в этих актах различаются, так как в них он должен согласовывать свою активность с активностью разных наборов клеток [3].
Таким образом, системы, реализация которых обеспечивает достижение результата поведенческого акта, формируются на последовательных стадиях индивидуального развития. Системная структура поведения отражает историю его формирования. Иначе говоря, реализация поведения есть реализация истории формирования поведения, т.е. множества систем, каждая из которых фиксирует этап становления данного поведения. Отсюда логически следует и экспериментально подтверждается [6,17] следующее положение. Нейрональное обеспечение внешне одного и того же поведения различается, если история формирования этого поведения различна. А, следовательно, различается и структура памяти, актуализируемая (активируемая) при реализации этого поведения. Итак, поскольку история формирования поведения лежит в основе закономерностей его реализации, ясно, что «исторический нигилизм» отрицательно сказывается на понимании получаемого экспериментального материала.
Замечу, что «исторический нигилизм» может сказываться на понимании результатов исследования не только в тех случаях, когда анализируется нейронное обеспечение поведения. Содержание памяти всегда индивидуально. Даже в тех случаях, когда речь идет о видоспецифических актах. Это содержание определяет характер любого взаимодействия индивида со средой. Влияние особенностей индивидуального развития на активность мозга, свойства рецептивных полей нейронов, в том числе клеток первичных сенсорных областей коры, обнаруживается при решении самых разных исследовательских задач (см., например, [70,78,87,89,115,133,144]). Имея в виду методы экспериментирования аналитической физиологии, важно подчеркнуть, что эти особенности проявляется не только у бодрствующих индивидов. Они обнаруживает себя, например, в измененной чувствительности синапсов при исследовании срезов мозга [48] или при анализе «настройки» нейронов наркотизированных животных на те или иные параметры стимуляции [88,153].
Из сказанного следует, что описать механизмы поведения с системных позиций – значит выяснить, каковы «паттерны нейронных специализаций» [3,6] разных структур мозга, т.е. относительно каких конкретно систем специализированы нейроны этих структуры, как формируются системные специализации. Это значит также изучить динамику согласования активности нейронов, принадлежащих к одной и той же и к разным системам, т.е. динамику «внутрисистемных» и «межсистемных» отношений при реализации поведения. Я считаю, что рассмотрение упомянутых вопросов в качестве ключевых хорошо согласуется с тем набором проблем, которые выделял как центральные для системного подхода П.В. Симонов. Он подчеркивал, что «системный подход продуктивен только в том случае, если мы более или менее определенно указываем на конкретные элементы, из которых состоит данная система, на функциональное значение каждого из этих элементов и на правила взаимодействия элементов друг с другом при функционировании системы в целом» [30, с.95].
Неонейрогенез
К настоящему времени получены убедительные доказательства наличия неонейрогенеза у взрослых млекопитающих, в том числе у людей [82,129]. Получены также данные о том, что, хотя синаптическая активность появляется у этих новых нейронов довольно быстро после завершения миграции, но спайковая активность у них отсутствует; из всех свойств нейрона она оказывается последней по времени появления [61]. Следовательно, в динамике вовлечения вновь появившихся клеток в совместную деятельность наблюдаются переход от «молчания» к импульсацции, как это, возможно, происходит при вовлечении «резервных» клеток в процесс специализации. Упомянутые данные, наряду с результатами, полученными G.Kempermann et al. [103], показывающими, что число выживших нейронов, вновь появившихся в процессе нейрогенеза у взрослых животных, увеличивается при содержании последних в обогащенной среде (принцип «используй или потеряешь» [129]), а также данные о том, что искусственное угнетение нейрогенеза нарушает формирование памяти [146], позволяют высказать следующее предположение: неонейрогенез может вносить вклад в процессы системогенеза (рис. 2). Наряду с рекрутированием клеток «резерва» и вновь появившиеся нейроны специализируются относительно новых систем. Как мне представляется, дополнительным сильным аргументом в пользу высказанного предположения являются данные, полученные в лаборатории F.N. Nottebohm [124]. Было обнаружено, что у канареек нейроны вентрального гиперстриатума, специализированные относительно новой песни (их метили пероксидазой хрена), имеют и тимидиновые метки, относясь к вновь появившимся нейронам.
Рис. 2. Умереть или измениться? Теоретическая схема.
РГ – «ранние» гены, ПГ – «поздние» гены, ГС – гены «смерти». Подробности – см. текст.
Неонейрогенез может иметь значение и для замены нейронов первичного и/или вторичного ассортиментов, гибнущих как в условиях нормы, так и при патологии (см. ниже). Что касается патологии, в литературе уже имеются данные об интенсификации неонейрогенеза при локальных поражениях мозга взрослых индивидов и о миграции вновь появившихся нейронов в область повреждения [163]. Знаки вопроса на рис. 2 (внутри фрагмента Компенсация и у стрелки, идущей от него) означают, что в настоящее время трудно сказать, какой именно ассортимент (или оба) подлежит восполнению, и каким образом мог бы меняться состав ранее специализировавшихся нейронов в том случае, если компенсация вторичного ассортимента имеет место.
С пополнением набора преспециализированных клеток (первичного ассортимента) ситуация кажется более ясной. Если он имеет место, то, по-видимому, «встраивание» новых нейронов должно происходить по общим для всех преспециализированных клеток «резерва» правилам – в процессе системогенеза. Если таковой не происходит в течение определенного времени, вновь появившиеся нейроны гибнут. Я считаю, что в пользу этого говорят многочисленные данные, подобные приведенным выше данным G.Kempermann.
Говоря о пополнении набора преспециализированных клеток (первичного ассортимента) за счет нейрогенеза в норме, можно отметить, что в настоящее время имеются веские основания думать, что научение ведет не только к выживанию уже появившихся нейронов, но и интенсификации пролиферации. Предполагается, что эта интенсификация имеет значение для будущего научения [129].
Что касается компенсации специализированных клеток (вторичного ассортимента), трудно допустить, чтобы и она могла происходить вне системных процессов, требующих активации клеток, принадлежащих к системе, и проб, направленных на достижение ее результата. Возможно такие пробные согласования новых и «старых» клеток могут развертываться во время реконсолидационных процессов (см. ниже).
Консолидация памяти: от формирования и упрочения «следов» посредством повышения эффективности синапсов к системогенезу
Проблема формирования и консолидации памяти решается с применением самых современных методов и базируется на современных концептуальных схемах. Несмотря на это, в основе большинства этих схем и исследований – идея Декарта, сформулированная им более трехсот лет назад: «следы» существуют потому, что поры в мозгу, через которые дух проходил раньше, становятся все более проходимыми, когда дух проходит через них снова. И дух легче проходит именно через эти поры. В соответствии с этой идеей важно выяснить, каковы механизмы увеличения проходимости пор, в каких мозговых структурах больше подобных пор, все ли поры обладают свойством изменчивости, сколь долго сохраняется повышенная проходимость пор и т.д., и т.п. Соответственно, при всем разнообразии подходов к пониманию консолидации, в качестве наиболее базовой ее закономерности рассматривается долгосрочное усиление синаптического проведения в дуге (ах) рефлекса, сетях и пр.
Иначе выглядит процесс формирования и упрочения памяти с системных позиций. С этих позиций, как уже было отмечено, нейрон не является проводником возбуждения. Поэтому проблема увеличения эффективности проведения не возникает. Формирование нового поведения рассматривается не как проторение путей и образование «следов», осуществляемое за счет увеличения синаптической эффективности. Не как связывание структур, последовательное активирование которых обеспечивает реализацию вновь сформированного поведения. Оно представляет собой формирование новой системы совместно активирующихся клеток организма, в том числе и нейронов, расположенных в самых разных структурах мозга, вовсе не обязательно связанных прямыми влияниями.
Переход от первой ко второй, системной позиции осуществляется в настоящее время уже не только на основе теоретических соображений, но, дополнительно, исходя из результатов экспериментов. В недавней обзорно-теоретической статье G. Horn отмечает, что результаты кросскорреляционного анализа активности нейронов IMHV не подтверждают представления о том, что при научении происходит усиление связей между нейронами, как это должно было бы быть при образовании «хеббовских ансамблей». «Скорее, - заключает автор – нейроны формируют набор параллельно [организованных], в значительной степени прямо не связанных элементов, что обеспечивает большую эффективность в сохранении [памяти], чем система непосредственно связанных элементов» [95, p.121].
Полагаю, что подобная позиция приходит в серьезное противоречие с базовыми положениями традиционного подхода. И хотя обоснованные призывы «пересмотреть имеющиеся модели [консолидации] и не быть при этом догматичными в отношении взглядов, не совпадающих с нашими предвзятыми представлениями о работе мозга» [116, p.467] имеют место, но все же внутри традиционного подхода позиция G. Horn пока может рассматриваться как оригинальная. В том же журнале, в котором появилась цитированная выше статья G. Horn, тремя месяцами раньше, была опубликована дискуссия, участник которой J. Lisman писал: «Как считал Хебб, ансамбли формируются, когда синаптические связи между активными клетками избирательно усиливаются. Я не слышал ни о каких обоснованных альтернативах, объясняющих сохранение ассоциативной памяти» [110, p.929].
Какие же закономерности можно выделить в процессах формирования и сохранения памяти, если посмотреть на них с системной точки зрения? И если не рассматривать в качестве основы таких процессов механизм увеличения синаптической проводимости в цепях связанных нейронов, как быть с огромным материалом, полученным при изучении таких механизмов? К такому материалу относятся, в частности, многочисленные работы, демонстрирующие активацию генетического аппарата клетки, изменение возбудимости и морфологические перестройки нейронов при научении. Для ответа на первый вопрос необходимо сначала сказать несколько слов о реконсолидации.
Реконсолидация при реактивации памяти и при научении
Еще F. Bartlett [54] предлагал полностью отбросить взгляды, в соответствии с которыми «воспроизведение из памяти» рассматривается как «повторное возбуждение неизменных «следов». В настоящее время обнаружены молекулярно-биологические закономерности реконсолидации памяти, лежащие в основе ее модификации после повторной актуализации (см., например, [137]). При формировании нового материала памяти необходим процесс синтеза белков, лежащий в основе процессов ее консолидации. Активация памяти, как и ее формирование, требует синтеза белка для реконсолидационных процессов. В связи с этим в последнее время предлагается связывать протеин-зависимые консолидационные процессы не с «новой», а шире - с «активной» памятью [117].
Представление о реконсолидационных модификациях не вступают в противоречие с приведенным выше положением о постоянстве системной специализации нейронов, которая формируется при научении. Анализ накопленного экспериментального материала позволяет K.Nader заключить, что, конечно, данные о реконсолидации «противоречит взгляду на память как лабильную только один раз». Однако он специально подчеркивает, что «реактивация консолидированной памяти не отменяет модификаций, обусловивших формирование долговременной памяти (вне зависимости от того, какие они - структурные или химические)» [116, р.467].
Реконсолидационные процессы представляют для нас особый интерес в связи с тем системным представлением о формировании памяти, которое было изложено выше. С точки зрения системно-селекционной концепции, оно представляет собой специализацию новой группы нейронов относительно вновь формируемой системы и «добавление» последней к ранее сформированным системам. Это добавление, видимо, требует взаимного согласования нового элемента и ранее сформированных и приводит к модификации последних.
Поведенческие данные, полученные в лаборатории И.П.Павлова [24], позволили ему прийти к заключению о том, что прибавление новых условных рефлексов сейчас же отзывается на состоянии прежних. В последнее время на основании данных, полученных в экспериментах с определением системной специализации нейронов при последовательном формировании разных поведенческих актов, также был сделан вывод об изменении ранее сформированной системы поведенческого акта после обучения следующему акту. В экспериментах с регистрацией нейронной активности у животных, первоначально обученных инструментальному пищедобывательному поведению, а затем в той же экспериментальной клетке алкогольдобывательному поведению, было обнаружено, что нейроны, специализированные относительно систем первого поведения, претерпевают при формировании второго модификацию и начинают вовлекаться также и в обеспечение алкогольдобывательного поведения вместе с нейронами, вновь специализировавшимися относительно этого поведения. Эта реконсолидационная модификация, претерпеваемая предсуществующей, «старой» системой при появлении связанной с ней новой системы, была названа «аккомодационной» реконсолидацией [47].
Естественно, такая позиция предполагает постановку вопроса о сходстве и различиях между реактивационной и аккомодационной реконсолидациями. Экспериментальная разработка этой проблемы имела бы большое значение для формулировки более дифференцированных представлений о формировании и функционировании памяти.
Консолидация с системной точки зрения
Сказанное выше, как мне представляется, означает, что при анализе формирования памяти следует учитывать не только появление ее новых элементов, но и модификацию ранее сформированных. При учете этого фактора можно предложить системное описание процесса консолидации. Консолидация с этой точки зрения включает две группы неразрывно связанных процессов.