Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физиология адаптационных процессов. Учебное пособие
.pdf
Биологический принцип, согласно которому будущее не может
быть полностью «выведено» из настоящего, придает будущему более
или менее неопределенный, непредсказуемый характер. Из этого
принципиального положения вытекает, что «предвидение» будущего может носить лишь вероятностный характер, вероятность будущих событий определяется частотой этих событий в прошлом и настоящем: события, достаточно повторявшиеся в прошлом и происходящие в настоящем, с большой долей вероятности будут иметь
место и в будущем. Поэтому накопленная история взаимодействия
организма с определенными факторами среды делает его предуготованным к встрече с этими же факторами в будущем. Но относительная неопределенность будущего вынуждает любой организм
«предвидеть» возможность встречи с близкими, но иными факторами, чтобы быть готовыми к встрече и с ними. Вот почему процесс
адаптации к одному какому-нибудь фактору или ситуации неизбеж
но включает и адаптацию к другим факторам, или, выражаясь точнее, адаптация к данному конкретному фактору всегда оказывается
по своему содержанию шире и масштабней адаптации только к данному фактору.
Таким образом, во-первых, процесс адаптации к текущим воздействиям исходно ориентирован на будущее и, во-вторых, включает
адаптацию к кругу более или менее близких прогнозируемых факторов, а не к одному-единственному фактору среды. Эти две коренные
особенности процесса адаптации выводят его за рамки чисто пассивного приспособления к строго определенному фактору. Напротив,
процесс адаптации воплощает в себе активность организма, который
не пассивно приспосабливается к изменениям среды, а осуществля
ет такое приспосабливание «с избытком», учитывая пространственно-временные параметры среды в настоящем и будущем.
Выступая как часть истории взаимоотношений организма и определенных факторов среды, адаптация, точнее, ее результат, есть не
что иное, как накопленная история этих взаимоотношений, след того, через какие среды провела организм жизнь. Это накопленное,
насыщенное определенными событиями время откладывает себя,
овеществляется в структурах организма. Конечным и единственно
возможным выражением адаптации при историческом подходе
к этому процессу может быть только системный структурный след.
При этом адаптация организма к изменяющимся условиям среды
может осуществляться по двум главным линиям:
1) перестройка органов, систем организма и организма в целом
в соответствии с «требованиями» среды при сохранении в основном
прежних форм активности – поведения. Изменяя себя, организм при
этой форме адаптации сохраняет свое прежнее поведение;
-
-
111
2) не перестраивая широко своих исполнительных органов и систем, организм приобретает способность по-новому использовать
этот свой исполнительный аппарат, т. е. за счет образования временных связей и навыков, закрепленных в структурах мозга, изменяет
свое поведение.
В первом случае речь идет об обычных формах адаптации, во вто-
ром – о таких ее формах, которые можно назвать сигнальными или
высшими адаптационными реакциями. Между сигнальными и обыч-
ными формами адаптации различие может быть сформулировано
следующим образом: при сигнальной форме адаптации структурные
перестройки затрагивают преимущественно или исключительно центральные управляющие (мозговые) системы, в то время как при
обычной адаптации (к холоду, гипоксии и т. д.) структурные перестройки обязательно затрагивают не только центральные, но и преимущественно исполнительные системы организма – сердечно-сосудистую, мышечную, эндокринную и т. д. Из этих различий вытекает ряд важных следствий.
1. Сигнальная адаптация возникает гораздо быстрее, чем обычная
адаптация. Новый условный рефлекс, т. е. новая форма адаптивного
поведения, может возникнуть даже при однократной встрече организма с новой ситуацией (например, выработка условного рефлекса
в одном сочетании). Соответственно структурные (микроструктурные) перестройки, лежащие в основе этой формы адаптации, возникают неизмеримо быстрее, чем при других формах адаптации.
2. Сигнальная форма адаптации обеспечивает организму уклонение от контакта с неблагоприятными факторами среды и поиск
и осуществление контактов с благотворными факторами среды.
В сигнальной форме адаптации в максимальной степени воплощена
активность организма, его относительная независимость от условий
среды.
3. Активность организма и формирование его относительной независимости от изменившихся условий среды при обычных формах
адаптации обеспечивается не уходом от этих условий, а такой перестройкой органов и систем организма, когда эти новые условия приобретают значение адекватных для перестроившегося организма.
При высших адаптационных реакциях организм изменяет свое отношение к среде за счет формирования новых форм поведения при
минимальных структурных перестройках – формировании в мозге
энграмм памяти.
Таким образом, и в том и в другом случае сущность адаптации состоит в изменении отношения организма к среде. В этих изменениях находит выражение активность организма, который не просто
пассивно приспосабливается к среде, а «преодолевает» среду. Целью
112
адаптации является не просто выживание особи, а обеспечение относительной автономии, относительной независимости от условий
среды как залога реализации подлинной активности и жизненной
экспансии организма с освоением все новых и новых экологических
ареалов. Именно за счет этих процессов жизнь приобретает то основное качество, которое академик Вернадский назвал «всюдность»,
т. е. присутствие и развитие везде в самых различных условиях среды.
Тот факт, что все формы адаптации представляют собой «заготовку впрок», т. е., по существу, опережающее отражение действительности на основе индивидуального и видового опыта, объединяет по
биологическому смыслу различные классы условных рефлексов, различные формы адаптивного поведения: условные рефлексы, вырабатываемые в многократных сочетаниях, условные рефлексы, вырабатываемые в одной пробе, проявления образной памяти и т. д. При
этом то обстоятельство, что вероятность встречи с данной ситуацией
в будущем при выработке традиционного условного рефлекса в многократных сочетаниях достаточно высока, а при выработке условно
го рефлекса в одной пробе мала, ровным счетом ничего не меняет.
При выработке условного рефлекса за одно сочетание, как и при выработке иммунитета, организм оказывается подготовленным к встрече с будущей весьма значимой ситуацией. Выработавший иммунитет
организм (а это тоже форма адаптации) может больше никогда не
встретиться с тем агентом, по отношению к которому выработан иммунитет, и при этом он, разумеется, ничего не потеряет. Но этот же
организм будет в заведомом выигрыше, оказавшись вооруженным
к повторной встрече с таким болезнетворным агентом. Точно так же,
выработав условный рефлекс в одном сочетании, т. е. запомнив редкое или однократно встретившееся на жизненном пути событие, которое может больше и не повториться, организм тем не менее становится более адаптированным к условиям среды. Он ничего не проиграет, не встретившись повторно с запомненной ситуацией, но
зато, повторно встретившись с ней, осуществит адекватную реакцию.
-
10.2. Соотношение памяти и адаптации
Высшие адаптивные реакции поведения, в основе которых лежат
обучение и память, являясь могучими средствами индивидуальной,
фенотипической, адаптации, выступают подобно другим адаптационным реакциям эволюционной адаптации. Строящиеся на генетической основе процессы обучения и памяти обеспечивают выживание
особей, у которых обучение и память носят более совершенный
характер. Передача потомству генетической основы этих более совершенных форм сигнальной адаптации способствует накоплению
113
из поколения в поколение генетических предпосылок к формированию совершенных форм поведения и общему повышению уровня
этой способности в ходе эволюционного процесса. В результате соответствующих изменений генетической основы возрастает способность к формированию все более совершенных и тонких форм индивидуального адаптивного поведения, в котором все больший
удельный вес начинают иметь не врожденные (тоже совершенствующиеся), а приобретенные, вырабатываемые в индивидуальном развитии формы поведения – условные рефлексы и их системы. Наря
ду с этим в ходе эволюции протекает еще один процесс, придающий
совершенствованию строящихся на генетической основе процессов
обучения и памяти определенную направленность. Дело в том, что
среди быстро изменяющихся факторов среды, к которым организм
приспосабливается за счет разумных форм поведения, существуют
факторы более значимые. Более быстрое и совершенное приспособление к этим факторам путем выработки соответствующих систем
условных рефлексов протекает у животных, обладающих определенными генетическими предпосылками. Накапливаясь из поколения
в поколение, эти генетические предпосылки обеспечивают все более
облегченную выработку в индивидуальном развитии соответствующих форм адаптивного поведения и ведут к возникновению таких
форм врожденного поведения, которые, соответствуя ранее приобретавшимся в индивидуальной жизни формам поведения, создают
иллюзию их наследования. В действительности же естественный отбор находит и закрепляет в генетических программах такие формы
врожденного поведения, которые в значительной мере воспроизводят ранее вырабатывавшиеся условные рефлексы. Осуществляется
не наследование условных рефлексов, а, образно говоря, использование условных рефлексов в роли своеобразного компаса, указывающего направление эволюции врожденных форм поведения. Фенотипическая сигнальная адаптация, основу которой составляет формирование в течение индивидуального развития новых связей
между центральными нервными структурами, превращается в генетически детерминированную адаптацию в виде врожденных связей
между соответствующими центральными нервными структурами
и соответствующими врожденными формами поведения. Таким путем в эволюционном масштабе реализуется упомянутое уже свойство
адаптации – экономичность. Структурные следы, составляющие основу приспособления, развиваются как результат более или менее
длительной физиологической деятельности, во время которой увеличенная функция клеток активирует их генетический аппарат. Эти
изменения, не являющиеся повреждениями и возникающие в результате физиологической деятельности, могут быть рассмотрены
-
114
как изменения от употребления; именно таким является наиболее
короткое из определений памяти. Более строго определение может
быть дано следующим образом: индивидуальная память живых си-
стем представляет собой изменение, которое возникло вследствие физиологической деятельности, вызванной влиянием факторов внешней
среды. Это изменение стойко сохраняется после прекращения самой
деятельности и в высокой степени определяет будущие реакции организма на факторы внешней среды.
Выделяют два основных уровня памяти: донервный, или элементарный, уровень памяти, свойственный любой живой ткани и состав-
ляющий основу всех рассмотренных до сих пор системных структурных следов, и высший уровень памяти, составляющий основу высших
адаптационных реакций, реализуемых головным мозгом.
Основное различие высшего и донервного уровней памяти состоит в том, что донервная память, о которой шла речь, обеспечивает
формирование и сохранение структурных следов таких воздействий,
которые влияют на организм непосредственно – в той или иной мере вторгаются в его гомеостаз; нервная память, напротив, обеспечивает формирование и сохранение следов воздействий, которые сами
по себе индифферентны для организма и приобретают значение
лишь в качестве сигналов биологически значимых факторов среды.
По существу, фиксированный в мозге памятный след, превращающий ранее индифферентный раздражитель в раздражитель, вызывающий сильные реакции, может быть не чем иным, как связью между центрами, возбуждающимися при действии индифферентного ранее раздражителя, и центрами, активность которых лежит в основе
безусловной приспособительной деятельности организма. Иными
словами, такие термины, как «запоминание» и «энграмма памяти»,
широко используемые в литературе для обозначения памятного следа
в мозге, являются синонимами известного понятия «временная связь».
Целесообразно подчеркнуть, что общность механизма формирования системного структурного следа в мозге и в других органах не
лишает этот след своеобразия. Действительно, интенсификация
функций различных органов приводит главным образом к увеличению количества и размеров образующих их клеток, увеличению активности определенных ферментных систем, т. е. к структурным изменениям, повышающим мощность ранее существовавшей функциональной системы до необходимого уровня. Структурные изменения,
возникающие при интенсивном функционировании нейронных систем головного мозга в процессе формирования высших адаптационных реакций организма, не исчерпываются этими количественными сдвигами. Они приводят к возникновению новых связей между клетками этого органа и образованию новых многонейронных
115
систем, которые и составляют специфический, свойственный мозгу
системный структурный след.
Системные структурные следы, т. е. памятные следы, составляют
основу как простых, так и высших адаптационных реакций организма, и в этом смысле память – основа адаптации.
Однако это не значит, что память тождественна адаптации. Наличие в мозге энграммы памяти может сыграть свою роль в адаптации
к среде только при условии активного функционирования аппарата
воспроизведения, который извлекает памятный след, включает его
в адаптационную реакцию. Вполне аналогично системный структурный след, составляющий основу адаптации к физической нагрузке,
основу тренированности, может сыграть свою решающую роль
в адаптационной реакции при условии совершенного функционирования аппарата мобилизации, в котором важную роль играют высшие
уровни регуляции. Таким образом, системный структурный след –
памятный след – составляет совершенно необходимую предпосылку
адаптации, ее структурную основу, но не тождествен адаптации.
10.3. Взаимосвязь между функцией клетки
и генетическим аппаратом
Взаимосвязь между генетическим аппаратом и функцией клетки
играет в формировании временной связи роль такого же необходимого звена, как и в механизме рассмотренных выше адаптационных
реакций, основанных на донервной памяти. В пользу такого представления говорят в настоящее время следующие пять групп фактов.
1. Взаимосвязь ФГ реализуется в нейронах коры головного моз-
га в больших масштабах и с большой скоростью. Установлено, что
при световой стимуляции общее количество РНК во фракции полисом существенно увеличилось. Следовательно, полученный результат означает, что возбуждение нейронов коры вызвало интенсивное
программирование рибосом информационной РНК, либо синтезированной вновь, либо находившейся в нейронах в виде активного
запаса. Так или иначе это увеличенное программирование рибосом
сопровождалось в рассматриваемых экспериментах возрастанием
интенсивности синтеза белка в коре головного мозга – возросшая
функция в срочном порядке получила свое структурное обеспечение.
2. При осуществлении специфической функции коры, т. е. при
замыкании и фиксации временных связей, в ее нейронах закономерно развивается активация синтеза нуклеиновых кислот. Так, например, синтез РНК в головном мозге определяли по включению меченного тритием или углеродом уридина во фракцию полисом. При-
116
чем эта активация синтеза была связана именно с процессом
замыкания временной связи – она полностью отсутствовала после
осуществления животными готовых, ранее сформированных условных рефлексов; она не возникала и в результате действия звука, света и безусловного раздражителя (электротока), если по условиям эксперимента между этими раздражителями не могла образоваться временная связь.
Электронно-микроскопическое исследование нейронов коры
пос ле выработки двигательного пищевого условного рефлекса показало высокую активность аппаратов белкового синтеза, выразившуюся значительным увеличением по сравнению с контролем числа рибосом и полисом. Кроме того, были обнаружены следующие изменения корковых нейронов. Ядро и ядрышко заметно увеличились
в размерах, в синапсах возросли протяженность и количество активных зон, в пресинаптической области – большое количество синаптических везикул, в постсинаптической области – массовое развитие
шипиковых аппаратов, отличающихся от нормы по протяженности
и образованию сложных мембранных комплексов.
Активация синтеза нуклеиновых кислот и белков при формировании временных связей носит не тотальный, затрагивающий весь
мозг, а сугубо избирательный характер. Эта избирательность отражает топографию активируемых при обучении церебральных структур,
но сама по себе при использовании обычных форм обучения она не
может рассматриваться как «маркировка» собственно энграммы, так
как включает и те мозговые структуры, которые участвуют в организации неспецифических реакций. Однако исследование динамики
топографии этих изменений может способствовать выявлению роли
различных церебральных структур на разных этапах формирования
энграммы и ее закрепления. В ходе таких исследований показана
роль фактора новизны в обучении. Этот фактор находит свое выражение и в процессах активации белкового синтеза в головном мозге.
Таким образом, активация синтеза суммарных или специфических белков и формирование определенных структурных изменений
в синапсах составляют необходимое звено формирования и закрепления временных связей.
3. Ингибирование синтеза нуклеиновых кислот и в особенности
белков ухудшает или предотвращает консолидацию (фиксацию) временных связей. Для выявления эффектов ингибирования необходимо соблюдение определенных условий. Это, во-первых, небольшая
«сила обучения» и, во-вторых, глубина и длительность ингибирования, которые должны подавлять синтез белка более чем на 90 %.
К ингибированию синтеза РНК приводит введение 8-аза-гуанина,
вызывающего синтез аномальных молекул РНК или актиномицина,
117
блокирующего ДНК-зависимый синтез РНК. Синтез белка ингибируется пуромицином, циклогексимидом, ацетоциклогексимидом
и анизомицином. Это указывает на необходимость синтеза белка
и РНК для фиксации временной связи, для закрепления ее в долговременной памяти.
4. Химические факторы, вызывающие увеличение синтеза нукле-
иновых кислот и белков, способствуют процессу консолидации,
ускоряя его протекание и делая этот процесс более совершенным.
В качестве таких веществ обычно используются предшественники
пиримидиновых оснований, входящих в состав РНК (оротовая кислота, уридинмонофосфат и др.), или кофакторы синтеза нуклеиновых кислот (фолиевая кислота, витамин B
12
).
Так, например, предварительное введение мышам в течение 7 дней
комплекса оротовой, фолиевой кислот и витамина B12 не влияло на
процесс выработки условного оборонительного рефлекса в Т-образном лабиринте, но устраняло или значительно уменьшало «стирающее» действие электрошока, даваемого сразу после обучения.
Таким образом, агенты, повышающие синтез нуклеиновых кислот и соответственно белков, улучшают консолидацию и сохранение
временных связей.
5. Вмешательства в метаболизм нуклеиновых кислот и белков, на-
рушающие процесс фиксации, не сказываются, как правило, на процессах выработки и воспроизведения временных связей. Следовательно, синтез белка не вовлечен в операции выработки и воспроизведения условного рефлекса, но необходим для фиксации временной
связи, закрепления ее в долговременной памяти.
Подавление белкового синтеза в головном мозге до или сразу после сеанса обучения нарушает закрепление и сохранение временных
связей, приводя к развитию ретроградной амнезии. Этот главный
эффект угнетения белкового синтеза также реализуется через изменения деятельности нервных клеток. Поэтому особый интерес для
раскрытия механизмов нарушения обучения и памяти при ингибировании синтеза белка в головном мозге представляет исследование
особенностей активности отдельных нейронов в условиях подавления белкового синтеза.
Чрезвычайная биологическая важность сигнальной адаптации
находит свое выражение и в том, что формирование следов памяти –
временных связей – может протекать при весьма глубоком ингибировании синтеза белка в головном мозге.
Таким образом, изменения синтеза нуклеиновых кислот и белков
вовлечены именно в процесс фиксации временных связей.
Оказалось, что для значительной активации синтеза нуклеиновых
кислот и белков – для полноценной фиксации временной связи –
118
недостаточно простого совпадения во времени возбуждения определенных нейронов и наличия в них ненарушенного процесса синтеза
белка. Для этого необходимо совпадение во времени начального, повидимому, наиболее интенсивного возбуждения, возникающего
в процессе сочетания условного и безусловного раздражителей, и активного состояния аппарата синтеза белка.
Таким образом, для того чтобы вызвать в нервных клетках активацию генетического аппарата и получить консолидацию временной
связи, необходимо не просто возбуждение, а его высокая интенсивность, реализующаяся обычно лишь в самом начале выработки, а в
дальнейшем обеспечиваемая лишь дополнительным применением
безусловного раздражителя.
На основе этих фактов можно заключить, что взаимосвязь
ФГ реализуется в нейронах, как и в других клетках, и составляет
необходимое звено в процессе формирования временной связи.
Существенно, что интенсивное функционирование нейронов, запускающее формирование временной связи, неизбежно сопряжено
с увеличенной секрецией медиаторов, которые, с одной стороны,
сами образуются в результате активности белков-ферментов, т. е.
в конечном счете продуктов экспрессии генов, а с другой стороны,
играют роль в регуляции активности генетического аппарата.
Оценивая материалы многообразных исследований по влиянию
нейромедиаторов на активность генетического аппарата нервных
клеток, необходимо подчеркнуть ряд важных обстоятельств, имеющих значение для конкретной оценки роли этих влияний.
1. Нейромедиаторы оказывают влияние на генетический аппарат
нервных клеток не только путем фосфорилирования протеинкиназами ядерных белков-гистонов с депрессией соответствующих локусов ДНК, но и путем прямого воздействия на активность определен
-
ных генов.
2. Влияние нейромедиаторов на генетический аппарат нервных
клеток носит не тотальный, а сугубо избирательный, дифференцированный характер с активацией одних и торможением других генов.
3. Наличие на одном нейроне рецепторов к многим нейромедиаторам приводит к тому, что изменения синтеза нуклеиновых кислот
и белков в нейронах представляют собой «равнодействующую» многих нейромедиаторных посылок и их взаимодействия.
4. Частной, но тем не менее чрезвычайно важной закономерностью влияния нейромедиаторов на синтез нуклеиновых кислот и белков является зависимость этого эффекта от состояния животного,
определяемого временем года, и других факторов. Так, например,
в летний период ацетилхолин вызывает преимущественно активацию, а в зимне-весенний – угнетение синтеза РНК в ядрах нейронов
119
мозга крыс. Обнаружена и разная направленность изменений синтеза РНК под влиянием ацетилхолина у разных партий животных.
Между тем этот параметр с особой силой дает себя знать при исследовании таких исключительно эффективных регуляторов адаптивных процессов, как нейропептиды. Следует подчеркнуть, что участие
нейромедиаторов в процессах обучения и памяти реализуется не
только за счет их «немедиаторных» эффектов в виде регуляции белкового синтеза, но и за счет собственно медиаторных эффектов. Оба
эти ряда эффектов неразрывно связаны друг с другом. В то же время
регуляция функциональной активности мозга при образовании временных связей осуществляется на основе взаимодействия нейромедиаторных систем друг с другом и с другим классом регуляторов церебральной активности, в том числе и особенно интегративных процессов – с нейропептидами. В этом сложном взаимодействии
разным нейромедиаторным системам принадлежит разная роль.
Особую роль в этом взаимодействии играют катехоламинергические
механизмы мозга, являющиеся, по современным представлениям,
нейрохимическим субстратом системы подкрепления. В данном контексте важно подчеркнуть, что реализующееся под влиянием нейромедиаторов и через изменение их секреции увеличение функции
нейронов становится фактором, включающим взаимосвязь функции
и генетического аппарата в нейронах, а такая взаимосвязь, в свою
очередь, является основой формирования многонейронных систем,
составляющих основу памяти и адаптивных поведенческих реакций.
Кратко это представление может быть сформулировано следующим
образом.
Раздражители внешней среды, действуя в определенной последовательности на рецепторы, порождают в мозге группу интенсивно
функционирующих нейронов, в которую входят как нейроны, ответственные за восприятие ранее индифферентного сигнала, так и нейроны, ответственные за безусловную приспособительную деятельность. На первом, нейродинамическом этапе, или этапе кратковременной памяти, физиологическая гиперфункция каждого из
возбужденных нейронов посредством реализации внутринейронной
связи между функцией и генетическим аппаратом приводит к активации генетического аппарата, т. е. к увеличению синтеза нуклеиновых кислот и белка в нейроне. Это явление составляет существо стадии консолидации временной связи, оно приводит к увеличению
плазматического тока, к трансформации существующих и, быть может, к образованию новых синаптических связей между нейронами.
В результате первоначально функциональный процесс получает структурное обеспечение, и группа возбужденных нейронов превращается
в некую целостную, структурно закрепленную функциональную си-
120
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]