Психофизиология человека Кроль В М (стр. 37 из 61)

На схеме (см. рис. 6.6) показано, что безусловный раздражитель (удар тока по «хвосту») активирует интернейроны, роль которых заключается в облегчающем воздействии (функция модуляции) на пресинаптические окончания сенсорных нейронов. Результатом активации интернейронов является выделение нейромедиатора, роль которого исполняет тот же серотонин, что участвует в эффекте сенситизации. Это подтверждается красивыми экспериментами, в которых прямое действие серотонина на мембрану окончаний дает те же эффекты, что и раздражение «хвоста».

Таким образом, условный сигнал раздражения сифона модулируется (облегчается) пресинаптическим возбуждающим действием интернейрона. Имеет место совпадение двух сигналов: импульсации интернейрона и потенциалов действия (импульсации) сенсорного нейрона. Причем для появления эффекта необходимо предварительное условное раздражение (возбуждение сенсорного нейрона). В итоге облегчающее совпадение в данном виде условного рефлекса осуществляется за счет воздействия пары пресинаптических окончаний: модулирующего интернейрона и сенсорного нейрона. И только затем усиленный сигнал передается на мотонейрон, заведующий движением жабры.

После выработки рефлекса выяснилось, что слабое раздражение сифона вызывает возбудительные синаптические потенциалы и в интернейронах и. в мотонейронах, что подтверждает схему условно-рефлекторной ассоциации. На молекулярном уровне это выражается в совместном действии серотонина и ионов Са²⁺, входящих в окончания сенсорного нейрона под действием приходящей по этому нейрону импульсации.

Мишенью для серотонина и ионов Са²⁺ внутри окончаний является аденилатциклаза, которая в соответствии с рис. 6.2 участвует в синтезе цАМФ и активации протеинкиназ, которые путем фосфорилирова-ния активируют белки, управляющие ионными каналами. А-киназы управляют белками, открывающими каналы Са²⁺, и С-киназы управляют белками, закрывающими каналы К\ Длительность самого короткого звена этих событий определяет продолжительность запоминания ассоциации, лежащей в основе условного рефлекса.

Таким образом, на молекулярном уровне сенситизация, условно-рефлекторное ассоциирование и кратковременное запоминание оказываются связанными с работой единой системы механизмов внутриклеточных посредников. Конечно, необходимо еще раз подчеркнуть, что выводы, полученные в результате экспериментов с аплизией, следует рассматривать только как модель условно-рефлекторного поведения высших животных.

Совпадение пре- и постсинаптического возбуждения как общая схема ассоциативного обучения

Рассмотрение синаптических механизмов сенситизации и условно-рефлекторного обучения привело исследователей к формулированию механизма пресинаптического облегчения, основой которого (в соответствии со схемой рис. 6.6) является совпадение активности двух пре-синаптических окончаний — сенсорного и модулирующего интернейронов (рис. 6.7, а). Причем взаимодействие окончаний происходит до тела нейрона, к которому эти окончания направлены, так что на этот «нейрон общего пути» попадает уже усиленный и модулированный сигнал.

Однако, как выяснилось, такой механизм не является единственным для повышения эффективности (повышения проводимости, снижения порога) синаптической передачи. В нейронных сетях имеет место и несколько другой способ, при котором повышение проводимости синапса формируется при совпадении повышенной возбудимости пре- и постсинаптических структур синапса (рис. 6.7,6). На самом деле этот способ в качестве теоретического варианта имел более раннее происхождение. В качестве нейронного механизма ассоциации он был предложен еще в 1949 году в книге Д. Хебба «Организация поведения». Общая идея варианта состоит в том, что при многократном совпадении пре- и постсинаптических возбуждений «синаптические соединения разрастаются и увеличивают площадь контакта между пресинаптическим аксоном и постсинаптической клеткой» (Роуз С, 1995).

Экспериментальное подтверждение этой гипотезы было получено много позднее при изучении разных сторон работы нейронных сетей. Так, с одной стороны, при изучении закономерностей развития нервных связей в процессе формирования эмбриональных тканей и органов было замечено, что именно совместная активность клеток приводит к упрочению контактов между ними. Например, в типичных экспериментах было отмечено, что у новорожденных крыс на каждой мышечной клетке, как правило, имеется несколько близко расположенных синаптических контактов. В течецие 2-3 недель избыток контактов исчезает, нейроны как бы втягивают часть аксонов, и на каждой клетке остается только один синапс,

Причем принципиально важно, что конкурентному уничтожению подвергаются неактивные, бездействующие синапсы. Активно работающие синапсы растут по площади. Детали молекулярных механизмов неясны, но в качестве гипотезы полагают, что постсинаптическая мембрана клетки-мишени выделяет какие-то вещества, способствующие развитию активных и (или) торможению неактивных синапсов (рис. 6.8). Подтверждением этому являются данные о замедлении конкурентного устранения синапсов в ответ на блокирование нервно-мышечной передачи, например, змеиным ядом а-бунгаротоксином или каким-то иным способом.

Данные факты были сформулированы в виде «правила возбуждения»: синапсы, в которых имеет место совпадение во времени пре- и постсинаптической активностей, укрепляются; отсутствие активности синапсов способствует их деградации и гибели. Это правило, в частности, может способствовать и объяснению процессов индивидуальной «настройки» систем синаптической связи животного в ходе приобретения им личного опыта. В этом плане, возвращаясь к вопросу обучения «синапса Хебба», можно считать, что совпадение безусловного (1) и условного (2) сигналов приводит к активации постсинаптической мембраны «нейрона общего пути» и, как следствие, к «проторению» ранее отсутствовавшего пути условного сигнала (2) к нейрону s (рис 6.7,5).

Точности ради следует сказать, что в результате обоих вариантов тем или иным путем достигается общая цель — улучшение проходимости сигналов в районе «натренированного» участка постсинаптической мембраны.

С другой стороны, схема Хебба была подтверждена при изучении разных структур мозга взрослых млекопитающих. Подробно одновременная активация пре- и постсинаптических образований была изучена на нейронах гиппокампа — особой структуры мозга млекопитающих, двустороннее разрушение которой резко снижает возможность запоминания новой информации при сохранении старых следов долговременной памяти. Основной факт, получивший название долговременной потенциации (рис. 6.9), состоит в значительном увеличении эффективности работы синапса в ответ на искусственную стимуляцию пресинаптических волокон залпами электрических импульсов. До такой стимуляции в ответ на единичное электрическое раздраже-

ние некоторого пресинаптического волокна в постсинаптическом нейроне возникали единичные потенциалы действия, после — в ответ на единичное раздражение — имеет место значительное усиление импульсации (рис. 6.9, д-б).

С точки зрения выявления механизмов ассоциативных процессов особое значение имеет вариант потенциации, в результате которого резко возрастает проводимость не только в подвергавшихся потенциа-ции путях, но и в других путях, не затронутых потенциацией. Другими словами, если одновременно с тем, как одна группа синапсов подвергается потенциации, через другой синапс той же клетки подается одиночный потенциал действия, то в ответ также возникает длительный импульсный разряд, хотя в отсутствие эффекта потенциации этот одиночный импульс вызвал бы минимальную реакцию (рис. 6.9, г).

Эффект потенциации в зависимости от интенсивности и числа «облегчающих» раздражений может длиться часы, дни и даже недели. Тем не менее не следует забывать, что сам эффект долговременной потенциации имеет искусственное происхождение и существование подобных «тренирующих» или «облегчающих» залповых раздражений при естественной работе нейронных сетей остается не вполне доказанным.

На молекулярном уровне механизм долговременной потенциации связан с работой особого возбуждающего нейромедиатора — глутама-та и его аналогов. Как уже говорилось, глутамат представляет собой медиатор, непосредственно связанный с ионными каналами. Однако специфика процесса долговременной потенциации заключается в том, что этот эффект имеет место при активации особой группы глута-матных рецепторов — NMDA-рецепторов. Название определяется тем, что эти рецепторы избирательно активируются синтетическим аналогом глутамата — Ы-метил-В-аспартатом. Блокирование этих рецепторов приводит к исчезновению эффекта долговременной потенциации при сохранении обычной синаптической передачи (Ал-бертсБ. и др., 1994).

Условно-рефлекторная ассоциация может быть выработана на одном нейроне

Ассоциативное обучение на уровне отдельных клеток можно выработать на нейронах разных структур мозга млекопитающих. Общая процедура формирования условного рефлекса у одной нервной клетки состоит в непосредственном подведении к ее мембране вначале условного сигнала, а затем, после задержки, — безусловного сигнала. Непосредственный контакт с мембраной необходим ввиду того, что нервная клетка при такой постановке экспериментов связана со своими соседями по нейронной сети. При этом, как правило, в виде раздражителей используют либо нейромедиаторы, либо электрическое раздражение мембраны.