Глава VI. Механизмы образования условного рефлекса
Постоянную («жесткую») связь внешних агентов с ответной деятельностью организма обеспечивают безусловные рефлексы, а временную («пластичную», инвариантную) — условные рефлексы. Именно хроничность условных рефлексов, способность их к долговременному сохранению в памяти, а также свойство «изменчивости» (перестройки) условных рефлексов в зависимости от среды, ситуации лежит в основе индивидуального приспособления, накопления индивидуального опыта, научения, «знаний» [16].
Физиологическую основу условного рефлекса составляет процесс замыкания временной связи. Временная (условная) связь — это совокупность нейрофизиологических, биохимических и ультраструктурных изменений мозга, возникающих в процессе сочетания условного и безусловного раздражителей и формирующих определенные взаимоотношения между различными мозговыми образованиями. Механизм памяти фиксирует эти взаимоотношения, обеспечивая их удержание и воспроизведение.
Многочисленные исследования посвящены изучению локализации условной связи, роли различных структур и состояний мозга в осуществлении условнорефлекторного поведения, изучению основных закономерностей и механизмов интегративной деятельности мозга. Наряду с традиционными направлениями в последние годы благодаря широкому использованию микроэлектродной техники, позволяющей исследовать деятельность мозга на уров-не отдельных нервных клеток, возник новый класс задач. Актуальным стало изучение характера межнейронного взаимодействия интегративных свойств отдельной нервной клетки и субклеточно-молекулярных механизмов пластичности, составляющих основу сохранения и специфичности образования временной (условной) связи.
§ 1. Функциональные основы замыкания временной связи
И.П. Павлов считал, что замыкание временных связей происходит в коре больших полушарий головного мозга между тем пунктом, который воспринимает условный раздражитель, и корковым представительством безусловного рефлекса. Каждый условный сигнал поступает в корковый конец анализатора, в проекционную зону, соответствующую модальности стимула. Каждый безусловный раздражитель, центр которого расположен в подкорковых структурах, имеет свое представительство в коре больших полушарий мозга.
Э.А. Асратян [2], изучая безусловные рефлексы нормальных и декортицированных животных, пришел к выводу, что центральная часть дуги безусловного рефлекса не однолинейна, проходит не через один какой-нибудь уровень мозга, а имеет многоуровневую структуру, т. е. центральная часть дуги безусловного рефлекса состоит из многих ветвей, которые проходят через различные уровни центральной нервной системы, спинной мозг, продолговатый мозг, стволовые отделы и т. д. (рис. 18). Наивысшая часть дуги проходит через кору большого мозга, является корковым представительством данного безусловного рефлекса и олицетворяет кортиколизацию соответствующей функции. Далее Э.А. Асратян предположил,
Рис. 18. Схема дуги безусловного рефлекса (по Э.Л.Асратяну, 1974).
I-V— ветви центральной части дуги на различных уровнях мозга; А — афферентная клетка, Э — эфферентная клетка
что если сигнальный и подкрепляющий раздражители вызывают собственные безусловные рефлексы, то они и составляют нейросубстрат условного рефлекса [2]. Действительно, условный раздражитель не является абсолютно индифферентным, поскольку он сам вызывает определенную безусловно-рефлекторную реакцию — ориентировочную, а при значительной силе этот «индифферентный» раздражитель вызывает безусловные оборонительные, висцеральные и соматические реакции. Дуга ориентировочного (безусловного) рефлекса также имеет многоэтажную структуру со своим корковым представительством в виде корковой «ветви» дуги рефлекса (см. рис. 18). Говоря о подкреплении, о безусловных раздражителях, следует иметь в виду, что в механизме замыкания участвуют не они как таковые, а вызываемые этими факторами безусловные рефлексы и соответствующие им нейрофизиологические и нейрохимические процессы на всех уровнях ЦНС. Следовательно, при сочетании индифферентного (светового) раздражителя с безусловно-рефлекторным (пищевым), подкрепляющим рефлексом образуется временная связь между корковыми (и подкорковыми) ветвями двух безусловных рефлексов (ориентировочного и подкрепляющего), т. е. образование условного рефлекса — это синтез двух (или нескольких) различных безусловных рефлексов (Э.А. Асратян).
В процессе формирования условного рефлекса в корковых проекциях сигнального и подкрепляющего раздражителей происходит функциональная перестройка. Постепенно сигнальный стимул начинает вызывать несвойственную ему ранее условную реакцию, в то же время изменяется его «собственная» безусловно-рефлекторная реакция. Закономерным оказалось то, что по мере сочетания сигнального раздражителя с подкреплением, с одной стороны, имеет место понижение порога (сенситизация) условного ответа, а с другой — повышается порог «собственной» безусловной реакции, т. е. реакции, вызываемой до обучения условным стимулом.
Проявления «собственной» безусловной реакции и вырабатываемой условной реакции часто демонстрируют реципрокные между собой взаимоотношения: когда хорошо выражена «собственная» реакция, не проявляется условная реакция и наоборот.
Таким образом, «собственное» эффекторное выражение условного раздражителя в процессе обучения угасает (в результате внутреннего торможения), в то же время в эфферентной части дуги подкрепляющего раздражителя возбудимость возрастает и условный стимул становится эффективным для запуска несвойственной ему ранее эффекторной реакции.
Об изменении возбудимости в корковом представительстве сигнального раздражителя говорят, например, факты, полученные в опытах с эпилепсией на крысах. Так, сильный звуковой сигнал, вызывающий у крыс эпилептические припадки, может превратиться в условный сигнал пищевой реакции. Интересно отметить, что с приобретением звуковым раздражителем нового сигнального значения количество эпилептических припадков, вызываемых им (без подкрепления), значительно снижалось. Повышение возбудимости слухового анализатора было получено в опытах на людях путем систематического применения слабых по интенсивности звуковых раздражителей в одной и той же обстановке.
Следовательно, по мере образования ассоциативной связи порог восприятия условного сигнала понижается, т. е. повышается возбудимость афферентной части безусловно-рефлекторной дуги первого из сочетаемых раздражителей; параллельно этому повышается возбудимость в корковом представительстве подкрепляющего раздражителя и его эфферентной части безусловно-рефлекторной дуги.
Для проверки гипотезы Э.А. Асратяна о структуре условного рефлекса как процесса синтеза безусловных рефлексов было применено сочетание не типичного индифферентного раздражителя с безусловным, как это обычно делается, а попарное сочетание между собой двух типичных безусловных рефлексов: пища, локальное электрораздражение кожи, вдувание струйки воздуха в глаз (мигательный рефлекс), локальное термораздражение (местный сосудисто-двигательный рефлекс) и др. (рис. 19). Иначе говоря, применялись раздражители, каждый из которых вызывает специфический безусловный рефлекс, объективно наблюдаемый и регистрируемый графически. При сочетании таких раздражителей вырабатываются условные рефлексы с двусторонней временной связью, причем каждый из пары сочетаемых раздражителей становится условным сигналом для рефлекса партнерного раздражителя, т. е. вызывает его эффекторное выражение. Таким образом, было установлено, что возбуждение одного рефлекса тонически меняет (модулирует) исходный функциональный фон другого
Рис. 19. Схематическое изображение условного рефлекса с двусторонней связью (по Э.Л.Асратяну, 1970).
А — кортикальный пункт мигательного рефлекса, Б — пищевого рефлекса, В и Г — подкорковые центры мигательного и пищевого рефлексов; I — прямая временная связь, II — обратная
рефлекса. Под влиянием внутреннего торможения с центра безусловного рефлекса затормаживается его среднее звено, в результате редуцируется его специфическая эфферентная реакция, а воспринимающие элементы сигнального раздражителя остаются свободными для замыкания с вновь образуемыми рефлексами.
Образование условных рефлексов с прямыми и обратными связями является общей закономерностью «переключения» в высшей нервной деятельности. Принцип переключения имеет место не только в деятельности коры головного мозга, но и здесь он достигает высшего уровня развития и делает деятельность коры более лабильной и разнообразной, более подвижной и гибкой.
В «переключательной» функции коры участвуют тонические (настроечные, подготовительные) и фазические (завершающие, командные, исполнительные) механизмы. Под влиянием различных факторов кора способна в широких пределах варьировать свое «функциональное» состояние и создавать разные картины распределения внутрицентральных путей и тем самым наилучшим образом предуготовиться к экстренному (фазному) ответу, соответствующему текущей ситуации [2]. Все эти свойства коры больших полушарий обеспечивают ей способность контролировать и регулировать функциональное состояние мозга, а также свое собственное в зависимости от внешней и внутренней стимульной программы.
Благодаря свойству условнорефлекторного «переключения» один и тот же раздражитель в зависимости от обстановки опыта может приобретать два или более различных сигнальных значения, каждое из которых проявляется в адекватной ему ситуации. Например, звонок в одной камере может служить для животного сигналом оборонительного рефлекса, а в другой — сигналом пищевой реакции. Предъявление двух близких раздражителей (сильный и слабый гудки) в разное время дня может привести к условнорефлекторной дифференцировке этих стимулов. Так, в утренних опытах сильный гудок закреплялся как условный положительный стимул, слабый — отрицательный, а в дневных опытах менялось сигнальное значение обоих стимулов на обратное подкрепляющее значение.
Прямые и обратные условные связи могут быть близки по силе стойкости, возбудимости и другим свойствам, но могут также значительно отличаться друг от друга по этим показателям. Двусторонняя временная связь между кортикальными «пунктами» уловного и безусловного подкрепления может служить субстратом для взаимодействия между этими «пунктами», для их взаимного тонизирующего влияния друг на друга и взаимной однонастроенности, для циркуляции возбуждения между ними и других взаимодействий.