Гардарики 1999 358 с- илл

Работа добавлена на сайт samzan.net:

Т.Н.Греченк о

ПСИХОФИЗИОЛОГИЯ

Рекомендовано Министерством

общего и профессионального

образования Российской Федерации

в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений

Гароарики

МОСКВА

1999

УДК 612.821 (075.8) ББК88.3

Г81

ОГЛАВЛЕНИЕ

ГреченкоТ.Н.

Г81 Психофизиология: Учебное пособие. — М.- Гардарики, 1999. —

358 с: илл.

ISBN 5-8297-0041-7 (в пер.)

Изложены основные сведения, знание которых предусмотрено программой курса по психофизиологии Представлены как новые данныео принципах работы и организации нервных клеток, механзмшах памяти, функциональных состояниях, зрительной системе, так и теории, уже ставшие классическими

Для студентов, аспирантов и преподавателей психологических факультете!!

УДК 612.821 (075.8) ББК 88.3

ISBN 5-8297-0041-7

В оформлении переплета использован фрагмент картины Джузеппе Арчимболъдо «Вертурм» (конец XVI в.)

Предисловие 7

Глава I. Нейрофизиология. Клеточные основы обучения 10

Нейрон. Его строение и функции 10
Электрическая возбудимость нервной клетки 15
Синапсы 23
Трофическая роль сомы 35
Пейсмекерный потенциал 36
Организация рефлекторной дуги 52
Механизмы научения 59

Глава П. Психофизиология памяти 96

История изучения памяти 96
Теории памяти 101
Процедурная и декларативная память 148
Биохимические и молекулярные механизмы памяти 150

Глава III. Ритмы. Функциональные состояния 160

Типы ритмов 163
Механизмы ритмов 166
Психофизиология функциональных состояний 169
Механизмы восприятия времени 188

Глава IV. Психофизиология зрительного восприятия 191

Эволюция глаза 192
Глаз 196
Сетчатка 208
Топографическое отображение 228
Зрительные области мозга 230
Рецептивные поля 236

Нейробиология цветового зрения 255

Два глаза 268

Стереоскопическое зрение 294

10. Карты коры 308

Глава V. Психофизиология алкоголизма и наркомании 313

Психофизиология алкоголизма 314
Психофизиология наркомании 326
Психофизиология и экология 333

Заключение 335

Терминологический словарь 336

Литература 349

Именной указатель 353

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современная психология давно перестала быть гуманитарной нау-|кой. Трудно найти лабораторию, в которой проведение опытов не [было бы сопряжено с регистрацией электроэнцефалограммы (ЭЭГ) и других объективных показателей работы нервной системы — частоты сердечных сокращений, давления крови, кожно-гальванической реак-Вции (КГР), мышечных сокращений, движений глаз и т.д. Естественно, |что применение физиологических показателей не является причиной |для того, чтобы рассматривать психологическое исследование как фи-язиологическое, но использование этих данных показывает, что в по-"становке задач — а, следовательно, и трактовке результатов — определенная роль принадлежит анализу механизмов изучаемых явлений. К биологическим наукам психологи обращаются всегда, когда пытаются понять причины обнаруженного феномена. Такое взаимодействие психологического содержания проблемы и ее биологического основания наиболее ярко может быть продемонстрировано на примере развития представлений о физиологических механизмах памяти — опыты, выполненные психологами Дж.Мюллером и А.Пильцекером еще в конце XIX — начале XX в., привели к возникновению идеи о реверберации нервных импульсов, а дальнейшая ее разработка вызвала к жизни концепцию о кратковременной и долговременной памяти, которая была сформулирована в середине XX в. (Обратим внимание на то, что нейрофизиология только зарождалась, еще непонятны были основные принципы кодирования и передачи информации в нервной системе, не говоря уже о каких-либо конкретных результатах по изучению пластичности нервных клеток и роли в этом потенциалов действия.) Теоретическое и экспериментальное развитие этой генеральной идеи было мощным катализатором исследований в области психологии, нейрофизиологии, гистологии, биохимии и биофизики. История исследований памяти со всей отчетливостью показывает жизнь научной идеи, когда для ее разработки адекватными и необходимыми оказываются методы психологии и биологии, а трактовка результатов психологических экспериментов становится невозможной в отрыве от биологической основы. Диапазон аналитических исследований современной психологии простирается от поведенческого уровня до про-

Предисловие

II редисловис

цессов, происходящих в отдельной клетке, а объектами опытов становятся сообщества и человека, и животных, и молекулы веществ.

Такие ветви науки, как нейропсихология, патопсихология и психофизиология, изначально немыслимы без разработанной биологической базы. Следовательно, биологический контекст всегда возникает при попытках психологов понять основы феномена. Постоянное взаимодействие с биологическими науками приводит к появлению нового взгляда на природу психического феномена. Психобиологический подход становится обычным в работе современных психологов, какой бы областью исследований они ни занимались. Психология развития, функциональные состояния и их роль в психической деятельности, эмоции, потребности, индивидуальные различия включают результаты биологических экспериментов как важнейшую составляющую анализа и обсуждения. Одним из направлений, возникших в результате глубинного взаимодействия биологии и психологии, является психофизиология. Что такое психофизиология? Является ли она новым направлением психологической науки? Суммируя вышеизложенное, можно сделать вывод о том, что психофизиология (которая должна бы называться психобиологией) — это мировоззрение, это видение психических явлений через призму возможных биологических механизмов, это размышления о психическом через биологию.

В современной науке накопление фактического материала идет чрезвычайно быстро, особенно в областях, зависящих от уровня развития техники. Углубление психологических исследований прямо связано с качеством технического обеспечения экспериментов. Улучшение характеристик приборов неминуемо сказывается и на качестве полученного экспериментального материала. А это в свою очередь влияет на постановку дальнейших целей экспериментальной работы. Например, чтобы психолог мог квалифицированно обсуждать роль синаптической пластичности в явлениях памяти, необходимо выполнить тонкие нейрофизиологические эксперименты. Для этого нужно не только владеть методом микроэлектродной регистрации, но и иметь соответствующие приборы, которые позволят провести такое исследование. Благодаря развитию техники стали возможными и внутриклеточные регистрации электрической активности нервных клеток (что способствовало поразительно быстрому прогрессу в области накопления знаний о физиологических механизмах памяти), и анализ роли специфической ионной проницаемости, возникающей на определенных этапах работы нервной клетки. Эти сведения помогли в поисках клеточных механизмов, участвующих в изучаемых явлениях. Так, исследователи значительно приблизились к пониманию механизма действия этанола (алкоголя) на активность нервных клеток. Дан-

ные были получены благодаря биофизическим исследованиям работы ионных каналов кальциевой проницаемости, это, в свою очередь, привело к открытию избирательного действия этанола на определенные нейроны и целые нейронные системы, что исключительно важно для биологической идентификации психических явлений, грубо искажающихся при алкоголизме.

«Вводный курс» написан для студентов психологического колледжа, которые уже имеют опыт обучения в высших учебных заведениях. По этой причине материал, изложенный в этой книге, охватывает несколько направлений в исследованиях психофизиологии, но при этом представлен в более концентрированной форме, чем для студентов обычных вузов. Цель предлагаемого курса — ввести слушателей в круг психофизиологических проблем и понятий, познакомить с основными результатами уже проведенных опытов, показать, как могут быть исследованы некоторые проблемы в области психологии памяти, обучения, восприятия времени, функциональных состояний, нейро-экологии, алкоголизма и наркомании, зрительного восприятия. Предлагаемый курс не дает завершенных знаний о всем разнообразии имеющихся материалов по определенной проблеме, а лишь вводит в контекст ее задач и подготавливает основу для дальнейшей работы. Каждая из предлагаемых в книге тем содержит краткий исторический обзор ее развития.

Автор любого учебного пособия всегда ставит перед собой задачу сделать обзор всех фактов и концепций, которые, по его мнению, необходимы для понимания предмета. Он как бы выполняет роль летописца определенной эпохи в развитии конкретного направления науки, сообщая в доступной для студентов форме о работах, проведенных в различных лабораториях, пытаясь провести границу между известным и неизвестным и отмечая еще нерешенные проблемы. Материала, связанного с рассматриваемыми вопросами, так много, что его необходимо представлять в сжатом виде. Чтобы обсуждать определенные проблемы, студенты должны овладеть терминологией, принятой в психологии и биологии. Частично задача такого знакомства с терминами и их конкретным содержанием решается при помощи терминологического словаря, который приведен в этом учебном пособии.

1 Нейрон Ею строение и функции

Глава I. Нейрофизиология. Клеточные основы обучения

Нейрон. Его строение и функции.
Электрическая возбудимость нервной клетки
Синапсы
Трофическая роль сомы
Пейсмекерный потенциал
Организация рефлекторной дуги
Механизмы научения

Адаптироваться к разнообразным условиям жизни могут все животные, но только те, у кого есть сложный мозг, способны быстро запоминать новое, правильно извлекать знания из прошлого опыта, решать более сложные задачи и изобретать орудия, чтобы с их помощью изменять по своем}' желанию условия окружающей среды. Результаты исследований говорят о том, что лишь незначительная часть нейронов головного мозга используется человеком в течение всей его жизни. Между тем мы постоянно сталкиваемся с необходимостью быстрее усваивать новые знания, лучше запоминать, безошибочно воспроизводить и реализовывать прежде усвоенное. Как научиться управлять теми возможностями, которые подарены нам эволюцией и запрятаны в нашем мозге? Произвольная регуляция памяти, восприятия, функциональных состояний — всего, что составляет мир психического, возможны только через познание механизмов деятельности мозга.

1. Нейрон. Его строение и функции

Нейробиология — общее название отрасли науки, занимающейся изучением нервной системы и ее главного органа — мозга. Она включает анализ явления на многих уровнях, начиная с молекулярного и кончая поведенческим. С открытием итальянским ученым Л. Гальва-ни «животного электричества» (лягушка, дергающая лапками, к которым подсоединены металлические провода) нервная система стала особенно сильно интересовать исследователей. Обнаружено, что мозг

человека состоит из 1012 нервных клеток, обычная нервная к детка получает информацию от сотен и тысяч других клеток и передает сотням и тысячам, а количество соединений в головном мозге превышает 1014—1015 Открытые более ста пятидесяти лет назад в морфологических исследованиях А. Дютроше, К. Эренберга и Я. Пуркинье, нервные клетки не перестают привлекать к себе внимание исследователей. Как независимые элементы нервной системы они были открыты сравнительно недавно — в XIX в. К. Гольджи и С. Рамон-и-Кахаль применили достаточно совершенные методы окраски нервной ткани и нашли, что в структурах мозга можно выделить клетки двух типов: нейроны и нейроглию. Нейробиолог и нейроанатом С. Рамон-и-Ка-халь использовал метод окраски по Гольджи для картирования больших участков головного и спинного мозга. В результате была показана не только чрезвычайная сложность, но и высокая степень упорядоченности нервной системы. С тех пор появились новые методы исследования нервной ткани, позволяющие выполнить тонкий анализ ее строения — например, использование гисторадиохимии выявляет сложнейшие связи между нервными клетками, что дает возможность выдвигать принципиально новые предположения об образовании нейронных систем. Имеющая исключительно сложное строение нервная клетка — это субстрат самых высокоорганизованных физиологических реакций, лежащих в основе способности живых организмов к дифференцированному реагированию на изменения внешней среды. К функциям нервной клетки относится передача информации об этих изменениях внутри организма и ее запоминание на длительные сроки, создание образа внешнего мира и организация поведения наиболее целесообразным способом, обеспечивающим живому существу максимальный успех в борьбе за свое существование.

1.1. Форма

Нервные клетки состоят из тела и отходящих от него отростков. В зависимости от функционального назначения отростков и их количества различают клетки монополярные и мультиполярные. Монополярные клетки имеют только один отросток — аксон, по которому возбуждение распространяется от клетки. Согласно классическим представлениям, у нейронов один аксон, однако последние электрофизиологические исследования с использованием красителей, которые могут распространяться от тела клетки и прокрашивать отростки, показывают, что нейроны имеют не один аксон. Место перехода сомы в аксон называется аксонным холмиком, или хиллоком (рис.1). По своим функциональным свойствам хиллок отличается и от сомы, и от

Глава 1 Псирофизиолотя Клеточные основы обучения

1 Нейрон Гло сiроение и функции

аксона — это самая возбудимая часть нейрона. Мультиполярные (биполярные) клетки имеют не только аксоны, но и дендриты, по которым сигналы от других клеток поступают в нейрон. Дендриты в зависимости от их локализации могут быть базальными и апикальными. Дендритное дерево некоторых нейронов чрезвычайно разветвлено, а на дендритах находятся синапсы — структурно и функционально оформленные места контактов одной клетки с другой. Какие клетки более совершенны — униполярные или биполярные? Удивительно, но это сложный вопрос, на который нет однозначного ответа. Оказывается, униполярные нейроны могут быть определенным этапом в развитии биполярных клеток! С другой стороны, у моллюсков, которые на эволюционной лестнице занимают далеко не верхний этаж, нейроны униполярные. Новые гистологические исследования показывают, что даже у человека при развитии нервной системы клетки некоторых структур мозга из монополярных «превращаются» в биполярные. Подробное исследование онтогенеза и филогенеза нервных клеток убедительно показало, что униполярное строение клетки является вторичным явлением и что во время эмбрионального развития можно шаг за шагом проследить постепенное превращение биполярных форм нервных клеток в униполярные. Рассматривать биполярный или униполярный тип строения нервной клетки как признак сложности строения нервной системы вряд ли верно, и наличие того или иного типа ветвления отростков скорее отражает общий характер межнейронных связей.

хиллок

аксон

Рис 1 Изолированный нейрон моллюска Helixpomatia.

Отростки-проводники придают нервным клеткам способность объединяться в нервные сети различной сложности, что является основой для создания из элементарных нервных клеток всех систем мозга. Дта приведения в действие этого основного механизма и его использования нервные клетки должны обладать вспомогательными

механизмами. Назначением одного из них является превращение энергии различных внешних воздействий в единственный вид энергии, который может включить процесс электрического возбуждения, — энергию электрического тока. У рецепторных нервных клеток таким вспомогательным механизмом являются особые сенсорные структуры — мембраны, позволяющие изменять ее ионную проводимость при действии тех или иных внешних факторов (механических, химических, световых). У большинства других нервных клеток — это хемочувствительные структуры тех участков поверхностной мембраны, к которым прилежат окончания отростков других нервных клеток (постсинаптические участки) и которые могут изменять ионную проводимость мембраны при взаимодействии с химическими веществами, выделяемыми нервными окончаниями. Возникающий при таком изменении локальный электрический ток является непосредственным раздражителем, включающим основной механизм электрической возбудимости. Назначение второго вспомогательного механизма — преобразование нервного импульса в процесс, который позволяет использовать принесенную этим сигналом информацию для запуска определенных форм клеточной активности.

1.2. Размер

Размеры нейронов могут быть от 2 мкм (размер фоторецептора) до 1000 мкм (размер гигантского нейрона у морского моллюска Aplysid). Форма нейронов также исключительно разнообразна. Наиболее ясно форма нейронов видна при приготовлении препарата полностью изолированных нервных клеток. Нейроны чаще всего имеют неправильную форму. Есть нейроны, напоминающие «листик», «цветок». Иногда поверхность клеток напоминает мозг — она имеет «борозды» и «извилины». Исчерченность мембраны нейронов увеличивает ее поверхность более чем в семь раз.

1.3. Цвет нейронов

Следующая внешняя характеристика нервных клеток — это их цвет. Он также разнообразен и может указывать на функцию клетки — например, нейроэндокринные клетки имеют белый цвет. Желтый, оранжевый, а иногда и коричневый цвет нейронов объясняется пигментами, которые содержатся в этих клетках. Размещение пигментов в клетке неравномерно, поэтому ее окраска различна по поверхности — наиболее окрашенные участки часто сосредоточены вблизи аксонного холмика. По-видимому, существует определенная взаимо-

1лава1 Нейрофизиология Клсючные основы обучения

2 Олекгрич(екая «нбудпмосль нершюи клетки

связь между функцией клетки, ее цветом и ее формой. Наиболее интересные данные об этом получены в результате исследований нервных клеток моллюсков.

В современной нейрофизиологии моллюски занимают особое место. Почему же моллюски стали популярным объектом нейрофизиологических исследований? Они имеют очень крупные нейроны — до 1000 мкм. У виноградной улитки, которая популярна у нейрофизиологов России, нейроны не такие крупные, однако по сравнению с клетками позвоночных животных также достаточно велики — некоторые нейроны достигают 150—200 мкм. Привлекают не только размеры нейронов: для опытов не нужно создавать специальные камеры с подогревом, оптимальные условия для исследования — комнатная температура, а нормальная работа нейронов обеспечивается кислородом, растворенным в физиологическом растворе. Кроме того, есть еще одно замечательное преимущество — возможность идентифицировать клетки. Это означает, что некоторые нейроны могут узнаваться не только по особенностям электрической активности, но и визуально, по их местоположению, окраске, размерам. Идентифицированную клетку можно изучать как в разнообразных условиях, так и в одинаковых, можно проанализировать, какие именно характеристики электрической активности устойчивы, а какие связаны с изменениями определенных факторов, влияющих извне. Наибольшее распространение получили морской моллюск Aplysia c-ahfornica (аплизия), пресноводный моллюск Lim-паеа stagnahs (прудовик) и наземные моллюски Helix pomatia (виноградная улитка) и Helix lucorum (садовая улитка). Сравнения электрической активности и биохимических процессов позволило сделать вывод в пользу использования этой биологической модели в исследованиях биофизических, биохимических и молекулярно-генетических направлений.

Исследования основных и вспомогательных функций нервной клетки в настоящее время развились в большие самостоятельные области нейробиологии. Природа рецепторных свойств чувствительных нервных окончаний, механизмы межнейронной синаптической передачи нервных влияний, механизмы появления и распространения нервного импульса по нервной клетке и ее отросткам, природа сопряжения возбудительного и сократительного или секреторного процессов, механизмы сохранения следов в нервных клетках — все это кардинальные проблемы, в решении которых за последние десятилетия достигнуты большие успехи благодаря широкому внедрению новейших методов структурного, электрофизиологического и биохимического анализов

/ I

2. Электрическая возбудимость нервной клетки

У истоков современных представлений о механизмах возникновения электрических потенциалов в живых тканях стоит теория электролитической диссоциации С. Аррениуса и разработанное на ее основе учение о гальваническом элементе. Было выдвинуто предположение о том, что при возбуждении или повреждении клеток биологические явления связаны с возникновением диффузионных потенциалов. Эта идея возникла еще в конце XIX — начале XX в. Немецкий ученый В Оствальд (1890) обнаружил, что мембраны проницаемы не только для различных молекул растворенных веществ, но обладают неодинаковой проницаемостью по отношению к различным ионам. В частности, такие мембраны в ряде случаев оказываются совершенно непроницаемыми для анионов, в то же время пропуская катионы Вследствие этого на осадочных мембранах при неравенстве концентраций электролитов могут возникать значительно большие разности потенциалов, чем это имеет место при свободной диффузии ионов

2.1. Потенциал покоя

Потенциал покоя — стационарная разность потенциалов покоящейся клетки между внутренним ее содержимым и наружным раствором. Первые косвенные данные о существовании такой разности потенциалов были получены в середине прошлого столетия исследователями, зарегистрировавшими электрический ток между поврежденным и интактным участками скелетной мышцы (ток покоя) Определив направление этого тока, Э. Дюбуа Реймон сделал вывод, что внутренняя часть мышцы заряжена отрицательно по отношению к наружной. Этот вывод в дальнейшем был распространен также на нервы и другие возбудимые образования

Первоначально прямые измерения потенциала покоя удалось осуществить на гигантских растительных клетках водоросли Nitella с помощью введенного в клетку электрода (1927). В опытах на животных клетках эта техника не нашла применения до тех пор, пока в практику физиологических исследований не был введен препарат гигантского аксона кальмара. Диаметр этого аксона (500—1000 мкм) позволял вводить в него длинный аксиальный электрод и непосредственно измерять разность потенциалов. Позднее была разработана техника стеклянных микроэлектродов, пригодных для отведения потенциалов и от клеток малого диаметра — скелетных мышечных волокон, и волокон миокарда, и различных нейронов

Г.land I 11сирофи мюлей ия Клеточные основы обучения

2 Электрическая возбудимость першюи клетки

Состояние ионов в протоплазме. Для мембранной теории биопотенциалов исключительно важное значение имело установление того факта, что большая часть ионов К в протоплазме находится в свободном состоянии, т.е. что протоплазма представляет собой свободный раствор этих ионов. При использовании К42 показано, что в гигантском аксоне кальмара не менее 90% внутриклеточного калия свободно диффундирует и перемещается в протоплазме под действием электрических сил, так же как и во внешнем растворе. Несколько иной результат дали измерения внутриклеточной активности ионов Na. Последние были измерены с помощью натрий-чувствительных электродов на целом ряде объектов — скелетных мышцах, гигантском аксоне кальмара, гигантских мышечных волокнах балануса, гигантских нейронах моллюсков. У всех этих клеток коэффициенты активности ионов Na в протоплазме были примерно в два раза ниже, чем во внеклеточном растворе. Это означает, что в то время как большая часть ионов К в протоплазме находится в свободном состоянии, примерно половина натрия либо связана, либо находится в каких-то внутриклеточных включениях (компартментализована).

В отличие от Na и К, Са в протоплазме клеток (волокон) почти целиком находится в связанном состоянии. Так, в аксоплазме гигантского волокна кальмара из 400 мкм Са только 0,3 мкм находятся в ионизированном состоянии. Примерно 10 мкм Са связано с такими внутриклеточными анионами, как АТФ, цитрат, глутамат и др. Остальной кальций находится во внутриклеточных органеллах, по-видимому, в митохондриях.

В 60—70-е гг. годы широкое распространение получил метод внут
риклеточной регистрации электрической активности нейронов мол
люсков. Накопленные данные позволяли установить, что в норме по
тенциал покоя нервной клетки равен -40 65 мВ. Эти значения в

принципе аналогичны тем, которые регистрируют при внутриклеточной регистрации на нейронах высокоорганизованных позвоночных животных. Интересные результаты о первых минутах введения микроэлектродов внутрь клетки сообщают в своих работах Е.Н. Соколов и другие ученые (1969). В течение 10—30 мин возможно развитие процесса адаптации нейрона к введенному в него микроэлектроду. В течение этого времени происходит стабилизация уровня мембранного потенциала. Сначала, сразу после введения микроэлектрода, клетка имеет несколько повышенный (деполяризованный) уровень мембранного потенциала. Это происходит по причине возможного физического повреждения мембраны микроэлектродом. Однако постепенно нейрон адаптируется к введенному в него инородному телу и уровень мембранного потенциала (МП) стабилизируется. МП может оставать-

ся стабильным в течение весьма долгого времени эксперимента — например, на полностью изолированных нейронах в течение двух суток. Состояние клетки отражается на уровне мембранного потенциала покоя, поэтому исследователям крайне важно контролировать его значение. В дальнейшем станет ясно, что в основе выводов о возможности обучения клетки, о развитии определенных форм активности, о явлениях, связанных с воздействием определенных внешних и внутренних факторов лежит контроль за уровнем МП.

2.2. Электрическая возбудимость

Отличие легко возбудимых клеток — таких как нервные и мышечные — от других клеток заключается в том, что для выполнения роли сигнального механизма у них изменяется потенциал покоя. Когда мембранный потенциал нервной клетки снижается До критической величины, обычно до 15 мВ (от -70 до -55), инициируется регенеративный самоограничивающийся потенциал действия, развивающийся по типу «все-или-ничего». Уровень критической деполяризации мембраны, при достижении которого происходит генерация потенциала действия, называется порогом (рис. 2). Амплитуда потенциала действия от 40 до 110 мВ при измерении в абсолютных единицах. Все функции, свойственные нервной системе, связаны с наличием у нервных клеток структурных и функциональных особенностей, обеспечивающих возможность генерации под влиянием внешнего воздействия особого сигнального процесса — нервного импульса, основными свойствами которого являются незатухающее распространение вдоль клетки, возможность передачи сигнала в необходимом направлении и воздействия с его помощью на другие клетки. Способность к генерации нервной клеткой распространяющегося нервного импульса определяется особым молекулярным устройством поверхностной мембраны, позволяющим воспринимать изменения проходящего через нее электрического поля, изменять практически мгновенно свою ионную проводимость и создавать за счет этого трансмембранный ионный ток, используя в качестве движущей силы постоянно существующие между вне-и внутриклеточной средой ионные градиенты. Этот комплекс процессов, или -«механизм электрической возбудимости*, является самой яркой функциональной характеристикой нервной клетки. Возможность направленного распространения нервного импульса обеспечивается наличием у нервной клетки ветвящихся отростков, нередко простирающихся на значительные расстояния от ее сомы и обладающих в области своих окончаний механизмом передачи сигнала через межклеточную щель на последующие клетки.

2-1015

Sejw»

I лава I Неирофизиоло! ия Клеточные основы обу

2 Электрическая возбудимость нервной клетки

ГЬвершут

следовая гиперполяризация

Рис 2 Структура потенциала действия, зарегистрированного от изолированного нейрона виноградной улитки.

Применение микроэлектродной техники позволило выполнить
тонкие измерения, демонстрирующие основные электрофизиологичес
кие характеристики нервных клеток. Измерения показали, что каждая
нервная клетка имеет отрицательный заряд, величина которого равна
-40 65 мВ. Главное отличие нервной клетки от любой другой за
ключается в том, что она способна быстро изменять величину заряда
вплоть до противоположного. Критический уровень деполяризации
нейрона, при достижении которого возникает быстрый разряд, называ
ется порогом генерации потенциала действия (ПД). Длительность по
тенциала действия различна у позвоночных и беспозвоночных живот
ных — у позвоночных она равна 1 мс, а у беспозвоночных 10 мс. Серия
потенциалов действия, распределенных во времени, является основой
для пространственно-временного кодирования.

Изучение функциональных характеристик указанных выше основных структурных элементов нервной клетки явилось исторически длительным и весьма неравномерным процессом. Представление об аксонах как электровозбудимых образованиях, основной функцией которых является проведение нервных импульсов — потенциалов действия, является одним из первых точно установленных положений нейрофизиологии, берущим начало от классических работ Л. Гальва-ни, А. Гумбольдта и др. Однако вопрос о том, обладают ли электрической возбудимостью также сома клетки и ее дендриты, оставался спорным до сравнительно недавнего времени. Так, некоторые ученые на основании анализа электрических реакций центральной нервной системы отрицали наличие электрической возбудимости в соме нервной клетки, считая, что дендриты и сома могут генерировать лишь локальные токи, раздражающие начальный участок аксона, в котором впервые появляется распространяющийся импульс. Причиной такого положения является трудность избирательной регистрации электрических реакций сомы и дендритов нервных клеток, которые к тому же в

большинстве случаев расположены в толще нервной ткани и переплетены с многочисленными отростками других нервных клеток.

Несомненно, что решающим методическим достижением, позволившим перейти к точному решению вопроса о наличии электрической возбудимости в соме и дендритах нервных клеток, было изобретение и введение в практику микроэлектродной техники, в особенности техники стеклянных микроэлектродов, обладающих достаточной механической прочностью даже при уменьшении диаметра кончика электрода до десятых долей микрометра, в то же время надежной изоляцией на всем протяжении вплоть до отверстия кончика.

Использование стеклянных микроэлектродов с несомненностью доказало наличие электрической возбудимости в соме этих клеток. Основным критерием наличия электрической возбудимости сомы нервной клетки, полученным методом внутриклеточного микроэлектродного отведения, является отведение потенциала действия постоянной амплитуды, существенно превышающего уровень мембранного потенциала. Такой потенциал действия может быть вызван при синап-тической активации исследуемой клетки (ортодромная активация) путем пропускания через клеточную мембрану электрического тока выходящего (деполяризующего) направления (прямое раздражение) и посылкой в клетку импульса из аксона (антидромная активация). Во всех этих случаях временные и амплитудные характеристики отводимого из клетки потенциала действия оказываются одинаковыми, что свидетельствует о включении в действие одного и того же мембранного механизма.

Представлены примеры внутриклеточного отведения такого потенциала действия из двигательного нейрона спинного мозга при антидромном его возбуждении путем электрического раздражения аксона (антидромное — распространяющееся по аксону к соме, ортодромное — от сомы по аксону). Рассмотрение восходящей части пика ясно показывает наличие на нем перегиба, свидетельствующего о некоторой задержке в развитии деполяризации клеточной мембраны при подходе к клетке антидромного импульса. При увеличении частоты стимуляции аксона можно вызвать частичный потенциал действия в области перегиба, после чего сохраняется лишь значительно более быстрый редуцированный пик, представляющий собой результат электротонического действия на соматическую мембрану потенциала действия аксона (НС-пик). Приведенный выше результат не только подтверждает факт электрической возбудимости мембраны сомы, но и указывает на наличие определенных особенностей этого механизма в соме по сравнению с аналогичным механизмом в аксоне, проявляющихся, в частности, в различной величине порога и длительности потенциала действия.

учения

Глава I. Нейрофизиология Клеточные основы обу

2 Электрическая возбудимость нервной клетки

Анализ восходящей части потенциала действия в случае такой ор-тодромной (синаптической) активации нервной клетки показывает, что и в этом случае на ней имеется перегиб, свидетельствующий о неоднородности механизма деполяризации мембраны. Как и при антидромной активации, можно вызвать частичный потенциал действия в области этого перегиба, выявив наличие начального быстрого редуцированного по амплитуде пика. Эти данные указывают на существенные различия пороговых значений электрической возбудимости мембраны в начальной части аксона и мембраны сомы, приводящие к тому, что деполяризующее синаптическое действие сначала вызывает генерацию нервного импульса в более возбудимой аксональной мембране и лишь затем включается механизм электрической возбудимости соматической мембраны.

Особенно удобными объектами оказались униполярные нейроны беспозвоночных животных, благодаря легкости экспериментального доступа к ним и их большим размерам. Многочисленные исследования, проведенные, в частности, на нейронах виноградных улиток и аплизий, показали, что в соме таких униполярных нейронов могут возникать максимальные потенциалы действия при всех тех способах ее активации, которые были описаны выше для двигательных нейронов спинного мозга.

Среди очень большого количества исследованных таким образом нейронов самого различного типа лишь в некоторых случаях были обнаружены клетки, сома которых оказалась лишенной механизма электрической возбудимости. Наиболее известным примером таких невозбудимых нейронов являются биполярные нейроны сетчатки глаза, соединенные синаптически с одной стороны с рецепторными клетками, а с другой с ганглиозными клетками, аксоны которых покидают сетчатку и образуют зрительный нерв. Направленный в сторону рецепторов отросток биполярной клетки можно рассматривать как дендрит, а направленный в сторону ганглиозных клеток — как коротенький аксон. Биполярные клетки отличаются очень большими размерами (расстояние между разветвлениями их отростков менее 100 мкм), и поэтому в них возможно распространение электрических токов, возникающих в постсинаптических участках дендритного отростка, без значительного изменения через всю клетку вплоть до окончаний аксона. В данном случае участие специального механизма генерации нервного импульса является функционально необходимым для передачи сигнала внутри сетчатки. Внутриклеточное отведение потенциалов из таких клеток сопряжено с большими трудностями, и всегда есть опасность повреждения нейрона микроэлектродом. Ни в одном случае не были зарегистрированы потенциалы действия, хотя

медленные электрические колебания стабильно регистрировались в течение длительного времени. Отсутствие нервных импульсов трудно объяснить повреждением клетки, так как в более мелких ганглиозных клетках и даже аксонах импульсы отводились регулярно.

Нейроны очень небольшого размера, сходные с биполярными клетками сетчатки (так называемые нейроны Гольджи II типа) морфологически описаны и в некоторых отделах центральной нервной системы. Однако Достоверное внутриклеточное отведение из таких клеток затруднено в связи со сложностью их идентификации в мозговой ткани. Возможно, что в некоторых из них механизм электрической возбудимости также неразвит. Отсутствие или слабая выраженность механизма электрической возбудимости отмечена и в некоторых клетках, сома которых имеет очень большие размеры (клетки сердечного ганглия омара, маутнеровские клетки мозга рыбок).

Параллельно с решением вопроса об электровозбудимости мембраны сомы нервной клетки были предприняты попытки рассмотреть вопрос об электрической возбудимости дендритов. Ответ на этот вопрос не может быть таким же однозначным, как ответ на вопрос об электрической возбудимости сомы. Дендритные отростки нервных клеток различного типа чрезвычайно отличаются по своей структурной организации, и у большинства чувствительных нейронов они часто неотличимы и по структуре, и по функции от аксонов. Способность к генерации и проведению нервного импульса у таких длинных дендритных отростков является необходимым условием передачи ими сигналов от действующих на рецепторные мембранные структуры внешних раздражений. Наиболее сложной проблемой является вопрос о наличии механизма электрической возбудимости в концевых разветвлениях дендритов, т. е. там, где расположены наиболее важные в функциональном отношении структуры их мембраны, обусловливающие способность воспринимать действие внешних раздражений или медиаторных химических веществ. Однако получение убедительного ответа на этот вопрос встретило большие трудности. Надежное введение микроэлектрода в такие разветвления проблематично, хотя попытки предпринимались. С. Терцуоло и Т. Араки (1961) использовали погружение двух скрепленных друг с другом микроэлектродов в двигательные нейроны спинного мозга, расстояние между кончиками микроэлектродов составляло несколько микрометров. Погружение повторялось многократно в надежде, что случайно один из кончиков войдет в сому, а другой — в дендрит одного и того же двигательного нейрона. В небольшом количестве экспериментов удалось осуществить отведение при помощи этих двух микроэлектродов в ответ на антидромное возбуждение хорошо синхронизированных максималь-

Глава I I [сйрофизиоло! ия Клеточные основы обучс

Ч Синапсы

ных потенциалов действия, которые существенно отличались по своим временным характеристикам. Один из них развивался так, как это обычно происходит в соме нервной клетки, а другой — очень медленно. Эту регистрацию можно рассматривать как удачное попадание кончика второго микроэлектрода в дендритную ветвь того же двигательного нейрона, а также как указание на то, что антидромный потенциал действия может распространяться в такую ветвь из сомы и что дендритная мембрана, следовательно, обладает механизмом электрической возбудимости.

С развитием экспериментальной техники был предпринят ряд попыток более убедительного введения микроэлектрода в дендриты нейронов центральной нервной системы. Для этого использовались клетки с особенно мощным дендритным деревом (например, нейроны Пуркинье мозжечка) и экспериментальные условия, в которых положение микроэлектрода до какой-то степени можно контролировать визуально (срезы мозговой ткани). В таких исследованиях, несмотря на частое повреждение исследуемых структур микроэлектродом, в ряде случаев удалось отвести из дендрита типичные потенциалы действия не только при антидромном, но и при синаптическом возбуждении клетки. Следовательно, по крайней мере в таких нейронах дендритная мембрана действительно обладает настолько хорошо развитым механизмом электрической возбудимости, что он может быть приведен в действие не только мощной деполяризацией мембраны, вызываемой приближающимся из сомы клетки антидромным нервным импульсом, но и более слабыми электрическими влияниями со стороны постсинаптических участков клеточной мембраны.

Однако прямые микроэлектродные отведения из дендритных ветвей и до сих пор остаются исключительным явлением. Поэтому, хотя возможность электрической возбудимости дендритной мембраны в принципе не вызывает сомнений, вопрос о том, распространяется ли такая возбудимость на все типы дендритов и как далеко она простирается в их тонких разветвлениях, так и остался открытым.

Установление факта электрической возбудимости сомы и дендритов нервной клетки поставило перед исследователями вопрос о том, какова же функциональная роль такой возбудимости. Уже из приведенных выше примеров видно, что эта роль не может быть сведена к передаче сигнала — нервного импульса. Как было показано на примере внутриклеточного отведения из двигательного нейрона спинного мозга, генерация нервного импульса при синаптическом возбуждении этой клетки происходит в начальной части аксона, мембрана которой деполяризуется локальными токами от постсинаптических участков. Возникший здесь сигнал сразу распространяется по аксону и одновре-

менно возвращается в антидромном направлении, охватывая сому клетки и ее дендриты. Иными словами, передача сигнала в этом случае может быть обеспечена за счет механизма электрической возбудимости начальной части аксона и наличие такой возбудимости у соматической мембраны не является абсолютно необходимым с точки зрения сигнальной функции клетки.

Еще более обоснованным такое заключение представляется для униполярных нейронов, сома которых вообще лишена синаптических контактов и находится в стороне от места синаптического действия и от места отхождения аксонного отростка. Полное отделение сомы у таких клеток не нарушает передачи сигнала (естественно, до тех пор, пока не начнутся явления дегенерации отростков, лишенных трофической поддержки сомы).

Дальнейшие исследования позволили обнаружить в нервной клетке такие функциональные особенности, которые показали, что роль электрической возбудимости соматической мембраны действительно следует рассматривать в более широком плане. Один из существенных результатов связан с открытием в соме многих нервных клеток периодических изменений мембранного потенциала, не связанных непосредственно с поступлением к ней синаптических влияний.

3. Синапсы

Еще десятилетие назад исследования синаптической передачи и коммуникации между нейронами воспринимались многими биологами как побочное направление биологии. Однако преимущества более мощного биофизического и клеточно-биологического подхода к анализу нейронных функций, возможность идентификации и клонирования генов, существенных для сигнализации, вскрыли тесную и, пожалуй, непредвиденную связь между принципами, которые лежат в основе синаптической передачи и взаимодействиями клеток других типов. В результате этого возник новый более общий взгляд на межклеточные коммуникации. Он обеспечил концептуальное единство нейробиологии и клеточной биологии.

Когда выяснилось, что ткани мозга состоят из отдельных клеток, . соединенных между собой отростками, возник другой вопрос: каким образом совместная работа этих клеток обеспечивает функционирование мозга в целом? На протяжении десятилетий споры вызывал вопрос о способе передачи возбуждения между нейронами: осуществляется она электрическим или химическим путем. К середине 20-х гг. XX в. большинство ученых было готово принять следующую точку зрения: возбуждение мышц, регуляция сердечного ритма и других пе-

I лава) Нейрофизиология Клеточные основы обуч<

риферийных органов — результат воздействия химических сигналов, возникающих в нервах. Эксперименты, о которых сообщили английский фармаколог Г. Дейл и австрийский биолог О. Леви, были признаны решающими подтверждениями гипотезы о химической передаче.

Очевидно, что усложнение нервной системы развивается по пути установления связей между клетками и усложнения самих соединений. Каждый нейрон имеет множество связей с клетками-мишенями. Эти мишени могут быть нейронами разных типов, нейросекреторны-ми клетками или мышечными клетками. Взаимодействие нервных клеток в значительной мере ограничено специфическими местами, в которые могут приходить соединения — это синапсы1. Это понятие было введено английским физиологом Ч. Шеррингтоном в 1897 г. Однако за пятьдесят лет до этого француз К. Бернар обнаружил, что контакты, которые формируют нейроны с клетками-мишенями, специализированы, и, как следствие, природа сигналов, распространяющихся между нейронами и клетками-мишенями, каким-то образом изменяется в месте этого контакта. Критичные морфологические данные о существовании синапсов появились спустя полвека. Их получил С. Рамон-и-Кахаль (1911), который доказал, что все синапсы состоят из двух элементов — пресинаптической терминали и постсинаптичес-кой мембраны. С. Рамон-и-Кахаль предсказал также существование третьего элемента синапса — синаптической щели, пространства между пресинаптическим и постсинаптическим элементами синапса. Совместная работа этих трех элементов и лежит в основе коммуникации между нейронами и процессами передачи синаптической информации. Сложные формы синаптических связей, формирующихся по мере развития мозга, составляют основу всех функций нервных клеток — от сенсорной перцепции до обучения и памяти. Более того, дефекты синаптической передачи лежат в основе многих заболеваний нервной системы.

Синаптическая передача через большую часть синапсов мозга опосредуется при взаимодействии химических сигналов, поступающих из пресинаптической терминали, с постсинаптическими рецепторами. На протяжении более чем ста лет изучения синапса все данные рассматривались с точки зрения концепции динамической поляризации. В соответствии с общепринятой точкой зрения синапс передает информацию только в одном направлении: информация течет от пресинаптической к постсинаптической клетке, анте-

1 Отгреч synapsis — соединение, застегивание

Синапсы

роградно направленная передача информации обеспечивает финальный шаг в сформированных нейронных коммуникациях. Анализ новых результатов, предпринятый Т Ясселом и Э. Кенделом (1993), заставляетпредполагать.чтосущественнаячастьинформациипереда-ется и ретроградно — от постсинаптического нейрона к терминалям нерва. В некоторых случаях были идентифицированы молекулы, которые опосредуют ретроградную передачу информации. Это целый ряд веществ от подвижных маленьких молекул окиси азота до больших полипептидов, таких как фактор роста нерва. Даже если сигналы, которые передают информацию ретроградно, различны по их молекулярной природе, принципы, на основе которых эти молекулы действуют, могут быть сходными. Реципрокность передачи происходит в электрическом синапсе, в котором щель в соединительном канале формирует физическую связь между двумя нейронами. Это позволяет осуществлять бидирекциональную передачу ионов и других маленьких молекул. Но реципрокная передача существует также в дендро-дендритных химических синапсах, где оба элемента имеют приспособления для высвобождения передатчика и ответа. Так как обе формы передачи трудно определить в сложных сетях мозга, случаев реципрокной синаптической коммуникации может оказаться значительно больше, чем это кажется сейчас.

3.1. Синаптические потенциалы

При возбуждении или торможении клеток внешняя мембрана нейронов чувствительна к действию специальных веществ, которые выделяются из пресинаптической терминали, к нейромедиаторам. В настоящее время известно несколько десятков нейромедиаторов непептидной природы и сотни медиаторов пептидной природы, которые выполняют функцию передачи электрического сигнала от нейрона к нейрону. На внешней стороне мембраны расположены специализированные белковые молекулы — рецепторы, которые и взаимодействуют с нейромедиатором. В результате происходит открытие каналов специфической ионной проницаемости — только определенные ионы могут массированно проходить в клетку после действия медиатора. Развивается локальная деполяризация или гиперполяризация мембраны, которая называется постсинаптическим потенциалом (ПСП). ПСП могут быть возбудительными (ВПСП) и тормозными (ТПСП) (рис. 3). Амплитуда ПСП может достигать 20 мВ. Градуальный характер ВПСП резко отличает его от максимального потенциала действия, развивающегося в случае достижения постсинаптической деполяризацией определенного порогового уровня.

Глава I Нейрофизиология Клеточные основы обучения

3 Синапсы

Рис. 3. Ответы изолированных нейронов Helix pomatia на микроаппликации нейромеди-аторов. а — возбудительный ответ на микроаппликацию ацетилхолина (АХ): б — ответ на микроаппликацию серотонина (С): в — тормозные ответы на микроаппликацию С; г — тормозной ответ на АХ Артефакты соответствуют началу и концу действия положительных электрических импульсов тока для микроионофореза медиаторов. Калибровка:

ЮмВ, 1 с.

Возбудительные синаптические потенциалы редуцируют (деполяризуют) мембранный потенциал и, если этого достаточно, смещают мембранный потенциал к порогу генерации потенциалов действия (ПД), коротким сигналам, которые генерируются по типу «все или ничего», имеют продолжительность 1 мс, а амплитуду — около 100 мВ. Тормозные синаптические потенциалы увеличивают (гиперполяризуют) мембранный потенциал и предотвращают появление в аксоне потенциалов действия. Пространственная и временная сумма-ция возбудительных и тормозных потенциалов определяет, будет ли нейрон генерировать потенциалы действия. Однажды генерированный потенциал действия распространяется без затухания по аксону к своему выходному элементу, пресинаптической терминали. Нейро-трансмиттер диффундирует через синаптическую щель, которая разделяет пресинаптическую терминаль и постсинаптическую мишень и взаимодействует с рецепторами, которые расположены на дендритах или соме (теле) постсинаптического нейрона. Свойства индивидуальных синапсов, в особенности свойства постсинаптических рецепторов, определяют, приведет связывание нейротрансмиттера к тормозному или возбудительному синаптическому потенциалу.

Современное понимание нейронной сигнализации широко пользуется ионной гипотезой, сформулированной в 1949 г. А. Ходжкиным, А. Хаксли и Б. Кацем для того, чтобы объяснить, как возникает разность электрического потенциала (потенциал покоя) и как знак этой разности быстро редуцируется и затем реверсирует во время генерации потенциала действия. В соответствии с ионной гипотезой сиг-

нальные способности клетки восходят к двум известным видам специализированных мембранных белков — каналам и насосам — которые позволяют ионам проходить сквозь мембрану. Насосы активно транспортируют специфические ионы против электрохимического градиента и поэтому требуют метаболической энергии.

Каналы — это протеиновые поры в липидном бислое, которые позволяют специфическим ионам быстро передвигаться по электрохимическому градиенту и не требуют метаболической энергии. Канало-образующие протеины распадаются на два класса. Вольт-зависимые каналы чувствительны к электрическим полям, проходящим через мембрану, и открываются в ответ на изменение этого потенциала. Некоторые из этих каналов только отчасти вольт-зависимы и открываются на уровне потенциала покоя мембраны. Эти каналы дают свой вклад в формирование потенциала покоя. Другие каналы на этом уровне не открываются и заметно вольт-зависимы. Они делают свой вклад в формирование потенциала действия. Лиганд-зависимые каналы распознают химические передатчики и открываются, когда с ними связывается специфический нейротрансмиттер. Это приводит к развитию синаптического потенциала.

Бидирекциональная передача сигналов в синапсе очевидна для каждого из трех основных аспектов работы нервной сети: синаптичес-кая передача, пластичность синапса, созревание синапсов во время развития. Пластичность синапсов — это, во-первых, основа формирования тонких связей, которые создаются при развитии мозга, а, во-вторых, основа механизма обучения и памяти созревших синапсов. В обоих случаях требуется ретроградная передача сигналов от пост- к пресинаптической клетке, сетевой эффект которой заключается в том, чтобы сохранить или потенциировать активные синапсы. Ансамбль синапсов вовлекает координированное действие протеинов, высвобождаемых из пре- и постсинаптической клетки. Первичная функция протеинов состоит в том, чтобы индуцировать биохимические компоненты, требуемые для высвобождения передатчика из пресинаптической терминали, а также для того, чтобы организовать устройство для транскрипции внешнего сигнала в постсинаптическую клетку.

3.2. Фармакология хеморецепторов

Разнообразие химических синапсов обеспечивается не только наличием разных медиаторов, но и тем, что один медиатор способен вызывать разные постсинаптические эффекты. В этом отношении особенно детально изучены центральные нейроны гастропод. Исследователи обнаружили, что медиатор ацетилхолин (АХ) в ганглии моллюс-

Глава I 11сйроф|пиоло1ня Клеточные основы обучения

Синапсы

ка деполяризует одни клетки (D-нейроны)1 и гиперполяризует другие (Н-нейроны)2. Позже было показано, что причина разных D- и Н-от-ветов — различие рецепторов; оказалось, что в ганглии аплизии даже не два, а три ХР, различимых фармакологически: один из них приводит к увеличению проницаемости мембраны для ионов натрия, другой — для ионов хлора и третий — для ионов калия. Разные рецепторы могут встречаться в разных участках одного нейрона. Становится все более очевидным, что в центральной нервной системе моллюсков имеется многорецепторная система для каждого из изучавшихся медиаторов. По-разному реагируют нейроны моллюсков и на другие медиа-торные вещества- ДА, 5-ОТ, ГК. Здесь также найдены свои D- и Н-нейроны. Особенно много рецепторов — пять типов — описано для нейромедиатора серотонина. Эти типы различают по их ионным механизмам, кроме того, для трех из пяти рецепторов серотонина найдены фармакологические антагонисты.

Наличие Таких многорецепторных систем открывает новые возможности для синаптической передачи. Благодаря сосуществованию разных типов рецепторов на одном и том же постсинаптическом нейроне один медиатор может вызывать многокомпонентный ответ. Кроме того, иннервация одним и тем же пресинаптическим нейроном разных постсинаптических клеток, имеющих разные типы постсинап-тических рецепторов или комбинацию разных типов рецепторов, создает экономный способ, посредством которого один и тот же преси-наптический ПД может обеспечить прямую передачу разных типов информации к разным постсинаптическим клеткам.

Существование нескольких типов рецепторов для данного медиатора в одной и той же нервной системе дает возможность исследователю сравнивать разные типы рецепторов в условиях, которые легче контролировать, чем тогда, когда это сравнение проводится на разных препаратах. Рассмотрим разнообразие рецепторов для ацетилхолина (АХ) и серотонина (5-ОТ).

Три типа элементарных реакций на АХ, определяемых по изменениям ионной проницаемости. Л. Тауц и X. Гершенфельд первыми обнаружили следующее- когда некоторые клетки ганглиев аплизии деполяризуются и возбуждаются АХ, другие гиперполяризуются и прекращают спайковую активность Дальнейший анализ тормозного действия АХ показал, что можно выявить два разных типа тормозных ответов: один из них быстрый, другой — развивается медленнее и сохраняется дольше.

1 D - от ашлииского слова dcpolansation (деполяризция)

2 II- гипернопяризция (hyperpolansalion)

Доказано, что эти три типа ответов на АХ (возбуждение, быстрое торможение и медленное торможение) по-разному изменяются при сдвигах мембранного потенциала (МП). Два из трех тапов реакций могут быть одновременно проанализированы на медиальной группе клеток плеврального ганглия аплизии. Эти клетки отвечают на ионо-форетическое подведение АХ двухфазной тормозной реакцией. При -62 мВ быстрый ответ исчезает, в то время как медленный компонент — все еще гиперполяризационный. При -80 мВ быстрый элемент инвертирован, а медленный достиг потенциала инверсии; он обнаруживается в виде деполяризации лишь при -100 мВ. Разные потенциалы инверсии двух компонентов ответа дали основание предполагать, что они обусловлены разными изменениями проницаемости мембраны — и эта гипотеза оказалась верной. Было показано, что быстрый элемент (с потенциалом реверсии -60 мВ) обусловлен избирательным увеличением проницаемости мембраны для ионов хлора, равновесный электрохимический потенциал которой равен -60 мВ. Более медленный компонент ответа обусловлен увеличением проницаемости мембраны для ионов калия.

Изменение третьего типа ответа на АХ ответ остается деполярпза-ционным при всех исследованных уровнях потенциала, даже тогда, когда мембрана деполяризуется до 0 мВ. При удалении из морской воды, омывающей ганглий, ионов натрия возбуждающий ответ исчезал; это дает основание полагать, что в возникновении этого потенциала участвуют главным образом, а может быть, и исключительно, ионы натрия. Поскольку измерение активности внутриклеточного натрия натрийселективными стеклянными электродами показало, что натриевый равновесный потенциал очень высок в клетках моллюсков (расчеты приводят к такой большой величине, как -90 мВ), неудивительно, что исследователи терпели повторные неудачи в попытках достичь потенциала инверсии этого ответа.

Три типа реакций нейронов охарактеризованы как Na, C1 и К-зави-симые соответственно для возбуждающего, быстрого тормозного и медленного тормозного ответов.

При активации идентифицированного холинергического нейрона, образующего моносинаптический контакт с нейронами как медиальной, так и передней группы, могут быть получены три гомологичных типа ответов. Активация пресинаптического холинергического нейрона вызывает в медиальных клетках двухфазный синаптический потенциал, состоящий из быстрого ТПСП, на который накладывается бояее продолжительный медленный ТПСП. Два элемента этого синаптпчес-' кого ответа, подобно двум фазам ответа на ионофоретическое подведение АХ, обусловлены соответственно избирательным увеличением

Глава I Нейрофизиология Клеточные основы обучения

3 Синапсы

проницаемости мембраны для ионов хлора и калия. Различие ионных механизмов, лежащих в их основе, и здесь выявляется по различию потенциалов, при которых происходит реверсия этих двух элементов. Быстрый элемент исчезает при Есь равном -60 мВ, и становится депо-ляризационным при более отрицательных потенциалах (например, -80 мВ и -100 мВ). В то же время потенциал реверсии медленного ТПСП равен -80 мВ (Ек).

Тот же самый нейрон вызывает ВПСП в клетках передней группы. Эти ВПСП, как и деполяризация, возникающая при ионофоре-тическом подведении АХ, могут порождать спайковые разряды нейронов из передней группы, если потенциал их мембраны близок к пороговому. С увеличением МП и синаптический, и АХ потенциал увеличиваются и вблизи потенциала покоя приводят к возникновению ПД.

Фармакологическое дифференцирование трех типов холиноре-цепторов (ХР), определяющих Na, Cl и К-зависимые ответы. Первое указание на то, что три типа холинергических реакций обусловлены возбуждением разных рецепторов, было дано Тауцем и Гер-шенфельдом, которые показали, что кураре (d-TK-d) блокирует Na-и Cl-зависимые ответы на аппликацию АХ, в то время как под влиянием С-6 блокируется только Na-зависимый ответ. К-зависимую реакцию можно избирательно заблокировать рядом веществ, в том числе метилксилохолином. Метилксилохолин, как и другие вещества, способные блокировать К-реакции (т.е. тетраэтиламмоний (ТЭА) и фенилтриметиламмоний), вызывает в больших концентрациях небольшое уменьшение двух других типов ответа. Наконец, С1-зависи-мый ответ можно избирательно заблокировать некоторыми а-нейро-токсинами. На синаптические ответы а-бунгаротоксин влияет так же, как на аппликацию АХ. Быстрые ТПСП устраняются а-бунгаротокси-ном, тогда как медленные, суммированные ТПСП, не блокируются.

Таким образом, а-бунгаротоксин полностью блокирует С1-зависи-мый ответ, как вызванный ионофоретическим подведением АХ, так и вызванный разрядами пресинаптического холинергического нейрона. Ни на один из двух других ответов а-бунгаротоксин не влияет даже в такой высокой концентрации, как 10~4 М.

Итак, в присутствии С-6 блокируются только ВПСП. В противоположность этому в присутствии d-TK остается только медленный ТПСП, а-бунгаротоксин, с другой стороны, избирательно блокирует Cl-зависимый ответ. Наконец, метилксилохолин не оказывает влияния ни на ВПСП, ни на быстрый ТПСП (в ограниченных концентрациях), но полностью блокирует медленный ТПСП. Результаты, сходные с теми, которые получены с С-6 (гексаметоний), могут наблю-

даться при использовании атропина и гиосцина. Однако при высоких концентрациях два последних препарата дают генерализованные эффекты, что проявляется в уменьшении всех реакций. Результаты, полученные с d-TK, могут быть получены при использовании и других специфических веществ в близких концентрациях.

Избирательная активация трех типов ответов с помощью разных агонистов. Все три типа ответов могут быть вызваны как КХ (карбахолином), так и АХ. Оба d-TK-чувствительных ответа могут быть воспроизведены многими другими никотиновыми агентами, но ни один из них не может имитировать К-зависимый ацетилхолино-вый ответ.

Найдены два никотиновых агента — С-10 и фенилтриметиламмоний, которые способны различать два d-TK-чувствительных рецептора: они избирательно имитируют Cl-зависимый ответ, не вызывая Na-зависимой реакции. На нейронах наземной улитки сходным избирательным холиномиметическим действием обладает пиперидин. К-зависимый ответ может быть избирательно вызван так называемым мускариновым агентом ареколином. Мускарин (10~3 М) не оказывает заметного влияния на потенциал в одной из трех идентифицируемых клеток. Ареколин (5х10~5 М), апплицированный сам по себе и в присутствии мускарина в омывающей среде, активирует избирательно рецептор, приводящий к увеличению проницаемости для К, вызывая таким образом гиперполяризацию медиальной клетки, исходный потенциал которой установлен на уровне -70 мВ. Отнесение ареколина к мускариновым агентам при рассмотрении его действия на нейроны моллюска не может быть признано целесообразным, поскольку сам мускарин не влияет ни на один из трех типов рецепторов, найденных на клетках аплизии. К-зависимый ответ может быть избирательно воспроизведен также с помощью конусина — токсина, экстрагированного из яда морского моллюска Conus califomicus.

Зная о трех основных типах ХР у моллюсков, разумно тестировать на неизвестном нейроне избирательные агонисты и антагонисты (для того, чтобы определить, какой из трех типов рецепторов имеется на исследуемом нейроне). Многочисленные опыты свидетельствуют о том, что нет явственных межвидовых различий в характеристиках ХР. Все изученные виды моллюсков имеют три одинаковые типа ХР, с одними и теми же фармакологическими характеристиками, вызывающие те же самые изменения ионной проводимости, какие были описаны для нейронов аплизии.

Изменение рецепторов, чувствительных к серотонину. Не раз отмечалось, что идентифицируемые нейроны или клеточные группы характеризуются постоянными рецепторными свойствами, которые по-

Глава! Нейрофизиология Клеточные основы обучения

3 Синапсы

вторяются от препарата к препарату. Но опыты показали, что ответы некоторых нейронов зависят от состояния — например, в ответ на подведение серотонина они ведут себя как D-нейроны у активных улиток и как Н-нейроны у других, взятых для опыта в состоянии спячки. Изменение знака ответа на медиатор — простой и эффективный способ перестройки межнейронных отношений в ганглии. Причиной такого изменения может быть или модификация типа рецептора, или изменение положения равновесного потенциала для серотонина относительно Ед (критического уровня деполяризации). Эксперименты подтвердили, что ответы клеток на серотонин меняются при переходе улиток от спячки к активному состоянию. Показано, что при этом изменяется содержание серотонина в нервной ткани. Теперь очевидно, что при этом меняются и клеточные рецепторы.

Наиболее подробно исследованы ответа нейронов на серотонин у моллюска Helix lucomm. Установлено, что нейроны по-разному отвечают на серотонин, а для блокирования этих ответов в разных случаях приходится применять разные фармакологические антагонисты. Принято считать, что это антагонисты серотонина, но полученные данные позволяют предложить иное понимание. Если верно, что разные ионные эффекты серотонина опосредуются одним и тем же веществом — цАМФ, то вполне возможно, что собственно серотониновый рецептор у разных нейронов один и тот же, а различия возникают при реализации эффекта цАМФ внутри клетки. И действительно, введение цАМФ внутрь клетки вызывает деполяризацию тех нейронов, на которых серотонин ведет себя как деполяризующий медиатор, и вызывает гиперполяризацию Н-нейронов.

В соответствии с современными данными, постсинаптический рецептор — это многокомпонентная, сложная система, которая включает следующие элементы: рецептор на поверхности постсинаптической мембраны, внутримембранный механизм, который при взаимодействии медиатора с рецептором активирует аденилатциклазу, расположенную на внутренней стороне мембраны, протеинкиназы или другие внутриклеточные белки-рецепторы, с которыми связывается цАМФ, управляемый этими белками механизм изменения ионной проницаемости, расположенный на клеточной мембране.

Различные фармакологические вещества, влияющие на эффект серотонина, могут действовать не только на рецептор к медиатору, но и на другие части этого механизма. Примером тому служит папаверин, который влияет как на эффекты внутриклеточного введения цАМФ, так и на эффект серотонина.

цАМФ и механизм действия серотонина. Выдвигается предположение, что в роли внутриклеточного посредника действия серотонина

выступает цАМФ. В ганглиях аплизии концентрация цАМФ увеличивается при добавлении серотонина. Так же действует на концентрацию цАМФ электрическое раздражение нервов. Этот эффект блокируется снижением внеклеточного кальция и повышением магния, т.е. он, очевидно, связан с синаптической передачей, а действие медиаторов на аденилатциклазу — это биохимическая основа его действия на ионную проводимость.

Но есть и другая гипотеза — она заключается в том, что эффект медиатора на МП и импульсную активность опосредован цАМФ: при взаимодействии медиатора с рецепторами, находящимися на наружной стороне клеточной мембраны, происходит активация аденилат-циклазы на внутренней стороне этой мембраны, и возникающее при этом увеличение концентрации цАМФ приводит к изменению ионной проницаемости нейрона.

Более детально и в связи с эффектами серотонина изучено действие инъецируемой цАМФ на нейронах «внутренней поверхности» подглоточного комплекса. Как описано выше, здесь преобладают возбуждающие эффекты медиатора, а гиперполяризующее действие отмечено только у гигантского нейрона педального ганглия.

Будучи одинаковыми по знаку, эффекты серотонина и цАМФ не вполне идентичны. Наиболее заметное различие заключается в том, что многие нейроны десенситизируются к действию медиатора на наружную сторону мембраны, но десенситизация никогда не наблюдается при внутриклеточном введении цАМФ. Однако сходство в действии серотонина и цАМФ не является случайным и внешним, на что указывает одинаковый эффект папаверина. В частности, отмечено превращение гиперполяризующих эффектов цАМФ и серотонина (5-ОТ) в деполяризующие. Действие папаверина обратимо и сходным образом влияет на мембранные эффекты цАМФ и серотонина.

Последующие исследования обнаружили, что соматическая мембрана может быть подвержена действию также более сложных химических факторов, выделяемых специальными нейросекреторными клетками. Они вызывают развитие более длительных колебаний мембранного потенциала клетки, в основе которых также лежат определенные изменения ионной проводимости мембраны. Во время такого колебания соответственно изменяется частота и эффективность более быстрых автоколебательных процессов и может возникать генерация нервных импульсов В последнее время были получены экспериментальные данные о том, что такие изменения проводимости поверхностной мембраны развиваются за счет активации определенных звеньев внутриклеточных обменных процессов, в том числе аденилат-циклазной активности.

3-1015

Глава I Нейрофизиология Клеточные основы обучения

4 Трофическая роль сомы

3.3. Ионная гипотеза синаптической передачи

Р. Фэтт и Б. Кац (1952) установили, что химическая синаптичес-кая передача в ее простейшей форме может быть объяснена на основе ионной гипотезы, согласно которой рецепторные каналы открываются химически при помощи трансмиттера, а не управляются изменением напряжения. Они показали, что АХ, высвобождаемый преси-наптической терминалью в синапсе между нейроном и мышцей позвоночного животного, вызывает возбуждающее действие в пост-синаптической мышечной клетке посредством связывания со специфическим рецептором, расположенным на внешней поверхности. Связывание АХ на этом рецепторе приводит к открытию класса каналов, которые проницаемы для Na и К. В тормозных синапсах часто ГАМК (гамма-аминомасляная кислота) открывает каналы для ионов С1 или для К. Сравнивая тормозные и возбудительные синапсы на разных нервно-мышечных препаратах позвоночных и беспозвоночных животных, Фэтт и Кац пришли к выводу о том, что различие между тормозными и возбудительными синапсами зависит не от идентичности нейротрансмиттеров, а от свойств постсинаптических каналов. Различие между синапсами возбудительными и синапсами тормозными лежит в соотношении потенциалов равновесия для ионов, проходящих через открытые каналы, до порогового потенциала, запускающего генерацию потенциала действия (обычно -55 мВ). Когда передатчик открывает каналы для Na (чей потенциал равновесия равен +55 мВ), результирующее действие неизменно возбуждающее (увеличивается даже калиевый ток и предотвращается достижение потенциала равновесия для Na). Это происходит из-за того, что движущая сила Na настолько велика, что, несмотря на противоположно направленный калиевый ток, она сдвигает мембранный потенциал в сторону 0 и, следовательно, за порог генерации. Когда нейротранс-миттер открывает ионные каналы для К или С1, чьи потенциалы равновесия между -70 и -60 мВ, результирующее действие — тормозное, поэтому оно предотвращает смещение мембранного потенциала к порогу генерации.

Принципы, выведенные на основе исследований периферических синапсов, были вскоре подтверждены и обобщены Дж. Экклзом применительно к работе центральной нервной системы. В течение 60—70-х гг была проанализирована работа доступных для исследований постсинаптических ответов химических синапсов, включая те, в которых используется глютамат, ГАМК и глицин. В каждом случае было обнаружено, что происходит связывание рецептора,

которое напрямую регулирует открывание ионных каналов. Так, уда-лосьустановить, что распознавание места, которое связывается нейро-трансмиттером, и каналов, которые позволяют проходить,определен-ным ионам, внутри одного мул ьтимерного протеина содержит два раз-ныхдомена.

После демонстрации химической природы синаптической передачи в центральных и периферических синапсах нейробиологи начали соглашаться с тем, что коммуникации во всех синапсах опосредуются химическими сигналами. Однако было доказано, что передача в синапсе гигантского волокна рака является электрической, а вскоре после этого была обнаружена электрическая передача в разных синапсах позвоночных и беспозвоночных. Поэтому теперь нейробиологи согласны с существованием двух способов передачи в синапсах — электрического, которое связано с преодолением щели в соединении цитоплазмы пре- и постсинаптической клетки, и химического, при котором пре- и постсинаптические клетки не образуют непрерывной структуры.

4. Трофическая роль сомы

Другая группа результатов связана с развитием исследований трофической роли сомы нервной клетки. Развитие изотопных методов измерения скорости транспорта различных соединений из сомы нервной клетки в отростки позволило сделать исходные, чисто качественные, представления о трофической функции сомы предметом количественных исследований. Были получены точные данные о скорости такого транспорта, который был разделен на быстрый и медленный компоненты. Первый составляет несколько миллиметров в час, а второй — несколько миллиметров в сутки. Эти величины оказались весьма постоянными даже у различных животных и зависящими в основном от температуры. Однако количество транспортируемых из клетки веществ в большой степени зависит от активности клетки При длительном возбуждении количество транспортируемых веществ существенно увеличивается, что связано с усиленной электрической активностью. Интенсивность транспорта обусловливается процессами, происходящими именно в соме клетки, а не в отростках, так как сома чувствительна к ионному составу среды у наружной поверхности соматической мембраны и не зависит от таких изменений возле мембраны аксона. Указанные данные привели к представлению о том, что именно в соме клетки локализован механизм сопряжения между поверхностной мембраной и внутриклеточными процессами, позволяющий изменять интенсив-

Глава I. Нейрофизиология. Клеточные основы обучени

5. Пейсмекерный потенциал

А Л Л

ность последних в зависимости от уровня специфической активности клетки.

Современные исследования показывают, что характерная черта всех нервных клеток — это сложная структурная организация, выражающаяся в наличии многочисленных и протяженных отростков. Функциональным назначением этих отростков является, во-первых, восприятие внешних воздействий и трансформация их в изменение проницаемости поверхностной мембраны и соответственно в изменение внутримембранного электрического поля, во-вторых, генерация и распространение незатухающего сигнала — потенциала действия, в-третьих, образование и выделение по сигналу медиа-торных химических веществ, оказывающих свое действие на последующие клетки. Основной клеточный механизм, на котором строится эта цепь процессов, — электрическая возбудимость, наличие которой является давно известным свойством аксонных отростков. Вопрос о наличии и функциональном значении электрической возбудимости сомы клетки и ее дендритов является во многих отношениях неясным. Между тем точное его решение имеет важнейшее значение для понимания ряда кардинальных проблем функционирования нервной системы.

5. Пейсмекерный потенциал

Одна из удивительных электрических активностей нейронов, регистрируемая внутриклеточным микроэлектродом, это пейсме-керные потенциалы (рис. 4). Осциллирующие потенциалы нервной клетки, не связанные с поступлением к ней синаптических влияний, впервые были описаны А. Арванитаки. Эти колебания могут превышать критический уровень потенциала, необходимый для активации механизма электрической возбудимости. Наличие в соме клетки таких волн мембранного потенциала было обнаружено на нейронах моллюсков. Они были расценены как проявление спонтанной, или авторитмической активности, имеющей эндогенное происхождение. Аналогичные ритмические колебания во многих других типах нейронов позже также были описаны. Появление методов внутриклеточного анализа электрической активности нервных клеток позволило показать, что ритмическая активность нейронов может быть основана на различных механизмах. Ритмичность разрядов нейронов многих структур мозга (таламуса, гипоталамуса и т. д.) обусловлена прежде всего поступлением к этому нейрону ритмических синаптических влияний (сетевая основа ритмичности).

Рис. 4 Пейсмекерный потенциал, недостигающий порога генерации потенциала действия

В то же время многие подкорковые структуры и прежде всего ретикулярная формация содержат нервные клетки, ритмичность разряда которых вызвана не монотонным синаптическим воздействием, а обусловлена существованием специального внутриклеточного механизма, деятельность которого может приводить к возникновению ритмической спайковой активности (эндогенная основа ритмичности). Этот механизм, названный пейсмекерным, является в достаточной степени универсальным и встречается у нейронов животных различных эволюционных уровней. Деятельность пейсмекерного механизма не ограничивается только участием в формировании ритмической спайковой активности клетки, но вносит свой вклад и в пластические свойства нейронов.

В процессе развития мозга соотношение сетевых и эндогенных факторов в механизмах пластичности меняется. По мере увеличения числа нейронов и совершенствования связей в филогенетически новых структурах (новая кора) пейсмекерный механизм перестает обнаруживаться, а доминирующими в формировании ритмической активности нервной клетки становятся экзонейрональные факторы. Можно предположить, что прекращение работы пейсмекерного механизма в новых структурах мозга связано с развитием и усилением тормозных связей в ЦНС, т.е. с усложнением нейронной организации пейсмекерный механизм нейронов мозга высших животных не исчезает, а переходит в латентное состояние, что связано с высоким уровнем мембранного потенциала корковых нейронов. В некоторых случаях, например, при патологии мозга, активированный пейсмекерный механизм может существенно изменить реакцию нейрона. Предположение о возможности существования латентного пейсмекерного механизма в нейронах высших животных можно подкрепить следующими данными. Если в обычных условиях нейроны симпатических ганглиев не обладают фоновой спайковой ритмикой, то в результате хронической денервации эти нейроны начинают генерировать ритмические спайковые разряды. Паттерн такой фоновой активности очень схож с активностью этих

[ лава I I (еирофизиоло! ия Клеточные основы обучения

же нейронов на ранних стадиях онтогенеза, когда спайки могут возникать только под влиянием внутриклеточных факторов, так как синап-тические связи не получили еще должного развития. Следовательно, пейсмекерный механизм этих нейронов в онтогенезе не исчезает, но переходит в латентное состояние.

Наиболее подробно пейсмекерный механизм и его функция изучены на простых нервных системах, обладающих рядом методических преимуществ. Пейсмекерный механизм хорошо представлен в нейронах ЦНС моллюсков. Что же такое пейсмекерный потенциал? Чем он отличается от других местных потенциалов нервной клетки? Как пейсмекерный потенциал взаимодействует с постсинаптическими потенциалами?

Пейсмекерными потенциалами в собственном смысле этого слова называют близкие к синусоидальным колебания с частотой 0,1 —10 гц, амплитудой 5—10 мВ (рис. 4). Именно эта категория эндогенных потенциалов, связанных с активным транспортом ионов, образует механизм внутреннего генератора нейрона, обеспечивающего периодическое достижение порога генерации ПД в отсутствие внешнего источника возбуждения. В самом общем виде нейрон представляется состоящим из электровозбудимой мембраны, химически возбудимой мембраны и локуса генерации пейсмекерной активности. Пейсмекерный потенциал, взаимодействующий с хемо-возбудимой и электровозбудимой мембраной, делает нейрон устройством со «встроенным» управляемым генератором. Потенциал действия (ПД), возникающий на пейсмекерной волне, называется пейсмекерным потенциалом действия, чтобы отличить его от потенциалов действия, возникающих при приходе ВПСП (синапти-ческие ПД). Эндогенная внутриклеточная природа пейсмекерных потенциалов подтверждается их сохранением после полной изоляции нейрона и независимостью их частоты от сетевых эффектов. Такие синусоидальные эндогенные осцилляции мембранного потенциала лежат в основе ритмической спайковой активности нейронов многих беспозвоночных.

Форма пейсмекерного потенциала. Пейсмекерный потенциал, отводимый внутриклеточным микроэлектродом от сомы нейрона моллюска, имеет синусоидальную или пилообразную форму. Пейс-мекерные потенциалы встречаются в виде регулярных колебаний, групп колебаний, сначала возрастающих, а затем убывающих по амплитуде волн. В условиях, когда пейсмекерные потенциалы не достигают порога генерации потенциала действия (ПД), удается измерить их амплитуду, которая обычно составляет от 5 до 25 мВ (рис 5).

5 Пейсмсксрныи потенциал

Рис 5 Виды фоновой активности изолированных клеток улитки Helix pomatia a — молчащий нейрон Потенциалы действия генерируются в ответ на предъявление внутриклеточного деполяризационного импульса тока силой 1,5 нА длительностью 5 с (амплитуда ПД полностью не прописана); б — фоновые регулярные ПД, генерация которых связана с активным пейсмекером, достигающим порога генерации спайка, в — фоновые ПД, генерация которых связана с активным пейсмекером, организованным в группы по два, г— пейсмекерная активность, недостигающая порога генерации спайка

Пейсмекерный потенциал по своей форме отличается не только от круто нарастающей деполяризации при развитии ПД, по и от деполяризации, связанной с ВПСП, у которого передний фронт отчетливо более крутой, чем плавно спадающий задний. Фаза реполяризации пейсмекерного потенциала, возвращающая мембранный потенциал (МП) к исходному уровню, отличается и от тормозных постсинапти-ческих потенциалов (ТПСП), которые характеризуются крутым отклонением от исходного уровня мембранного потенциала (МП) в направлении гиперполяризации.

В тех случаях, когда пейсмекерный потенциал достигает порога генерации ПД, наблюдается переход деполяризационной волны пейсмекерного потенциала в потенциал действия. Задний фронт пейсмекерной волны в этом случае суммируется со следовой гиперполяризацией потенциала действия. В зависимости от типа пейсмекерного потенциала наблюдаются регулярные групповые и одиночные ПД. При сравнении разных пейсмекерных потенциалов, лежащих ниже порога генерации с ПД, становится очевидным, что все пейсмекерные потенциалы обладают общими свойствами, отличными от свойств потенциалов действия.

шния

Глава I. Нейрофизиология. Клеточные основы обу1

. Псйсмексриый потенциал

Зависимость пейсмекерного потенциала от уровня мембранного потенциала. Можно предположить, что пейсмекерные потенциалы образованы чередованием ВПСП и ТПСП. Однако при гиперполяризации сомы нейрона через внутриклеточный микроэлектрод крутизна возрастания деполяризационной волны и ее амплитуда уменьшаются вплоть до полного подавления колебаний. Для ВПСП при гиперполяризации следовало бы ожидать увеличения их амплитуды. Кроме того, частота генерации пейсмекерных потенциалов при гиперполяризации снижается. Известно, что с увеличением уровня гиперполяризации ТПСП реверсируют. Пейсмекерные потенциалы реверсии не подвержены. При деполяризации сомы нейрона через внутриклеточный микроэлектрод крутизна нарастания деполяризационной волны пейсмекерного потенциала увеличивается. Частота пейсмекерных потенциалов растет. Амплитуда их становится выше. ВПСП в этих условиях снижаются по амплитуде, реверсируя при дальнейшей деполяризации. ТПСП, хотя и должны при деполяризации увеличиваться по амплитуде, но частота их, как и частота ВПСП, от уровня МП не зависит.

То, что частота пейсмекерного потенциала возрастает при деполяризации и уменьшается при гиперполяризации, служит веским аргументом в пользу предположения о том, что пейсмекерный потенциал имеет эндогенную природу. ВПСП и ТПСП, частота которых не зависит от уровня МП, определяются экзогенными факторами. >

По соотношению пейсмекерных и синаптических механизмов нейроны подразделяются на пейсмекерные, синаптические и пейсмекер-но-синаптические. По общей характеристике фоновой ритмики нервные клетки моллюсков можно подразделить на фоновоактивные и фо-новонеактивные. Нейроны, обладающие фоновой ритмикой, разделяются на две большие группы: ритмические и аритмические типы нервных клеток. Среди ритмических нейронов имеется небольшая группа нервных клеток с устойчивой и регулярной фоновой ритмикой, без заметных синаптических влияний. Это так называемые истинно пейсмекерные нейроны. Истинно пейсмекерные нейроны, в свою очередь, подразделяются на нейроны с монотонной фоновой ритмикой, когда на деполяризационной волне возникает только один спайк, и нейроны с ритмическим возникновением группы спайков на волне пейсмекерного потенциала — пачковые нейроны. Для аритмического типа нейронов характерна нерегулярная спайковая активность, обусловленная воздействием на этот нейрон дополнительных синаптических влияний — смешанный пейсмекерно-синаптический тип — или же результатом неритмичности пейсмекерного механизма — аритмичный тип пейсмекерных нейронов. Все нейроны, обла-

дающие фоновой пейсмекерной активностью, называются актуальными пейсмекерными нейронами.

Кроме фоновоактивных нейронов существуют нейроны (чаще гигантские), у которых фоновая спайковая активность отсутствует. Однако в результате активации такой клетки в ней возникает и в течение длительного времени поддерживается ритмическая спайковая активность, обусловленная деятельностью пейсмекерного механизма. Такие нейроны получили название латентных пейсмекерных нейронов.

Классификация пейсмекерных нейронов. Пейсмекерный потенциал, являясь потенциал-зависимой формой электрогенного эффекта активного транспорта ионов, отличается от ПСП и ПД, связанных с пассивным движением ионов. Характерной чертой пейсмекерного потенциала является постепенно ускоряющаяся деполяризация, которая и образует пейсмекерную волну. Эта деполяризация, которая развивается без изменения сопротивления мембраны, при достижении порога приводит к генерации пейсмекерного ПД. Если механизм генерации ПД выключен или порог генерации ПД повышен, то деполяризация в виде пейсмекерной волны, достигая определенного уровня, включает механизм, обеспечивающий реполяризацию мембраны также без изменения ее сопротивления. Последовательность деполяризационных и реполяризационных сдвигов МП образует пейсмекерные колебания. Предположительно, за пейсмекерный потенциал ответствен активный транспорт ионов хлора и ионов кальция. Механизм пейсмекерной активности находится под влиянием генетических механизмов. Внешняя среда может действовать на нейрон не только через синаптические входы, но и непосредственно через изменение внутренней среды улитки в связи с фото- и термочувствительностью пейсмекерного механизма.

Выделение в качестве самостоятельного явления пейсмекерного потенциала приводит к необходимости такой классификации нейронов, которая учитывает это явление. В разных районах пейсмекерная активность выражена по-разному. Наиболее часто встречается регулярный пейсмекерный потенциал с амплитудой 5—25 мВ и периодом колебаний 1—2 с (рис. 5).

Другой вид активности — нерегулярный пейсмекерный потенциал, возникающий с разными промежутками между отдельными пейсмекерными волнами. Наконец, есть периодический пейсмекерный потенциал в виде веретен, разделенных периодами молчания.

В зависимости от соотношения пейсмекерных и ПСП потенциалов различают: синаптические нейроны, пейсмекерные и пейсмекерно-си-наптические.

Глава I Нейрофизиология Клеточные осноиы обучения

5 Пейсмекерный потенциал

В ряде случаев пейсмекерная активность в нейроне не регистри
руется, но может быть вызвана стимулом (рис. 5). Такой нейрон
принято называть латентным пейсмекерным нейроном в отличие от
нейрона с выраженной пейсмекерной активностью, который принято
называть актуальным пейсмекерным нейроном. Потенциальным
пейсмекерным нейроном называют тот нейрон, у которого в опыте
пейсмекерная активность отсутствует и ее не удается вызвать, но при
известных условиях (например, сезонных) она все же может наблю
даться. »

5.1. Локализация пейсмекерного механизма в нейроне

В настоящее время имеется много данных о том, что разные участки мембраны нейронов с электрофизиологической точки зрения неоднородны. Различают электровозбудимую мембрану, ответственную за генерацию ПД, и электроневозбудимую, химически чувствительную, в зоне синаптических контактов опосредующую возникновение постсинаптических потенциалов (ПСП). В связи с этим возникает вопрос о месте возникновения пейсмекерных потенциалов.

Относительно локализации пейсмекерного механизма до сих пор не существует единой точки зрения. Нейрофизиолог Б. Альвинг (1968) провела эксперименты на нейронах моллюска Aplysia, применив перевязку аксона шелковой нитью (метод наложения лигатуры, который позволяет ограничить синаптические влияния и тем самым функционально изолировать нервные клетки). Опыты показали, что нейроны, демонстрировавшие пейсмекерную активность до перевязки аксона, сохраняли ее и после этого. Некоторые исследователи, изучая электрическую активность механически изолированных тел нервных клеток, обнаружили, что соматическая мембрана способна к эндогенной пейсмекерной активности. Подтверждением существования пейсмекерной активности в соме служит высокая чувствительность частоты и амплитуды эндогенных потенциалов к незначительным изменениям потенциала покоя (ПП) в нейронах, особенно в таких, где пейс-мекерные потенциалы имеют форму синусоиды.

Изучение эндогенной активности нейронов Aplysia привело к предположению, что, наряду со спонтанной активностью сомы, механизм пейсмекерной активности может локализоваться и на отростке. Под структурой, обеспечивающей пейсмекерную активность, обычно понимают ограниченный электрически активный участок мембраны (локус), способный к медленным периодическим колебаниям потенциала с некоторой определенной частотой. Такое определение пейсме-

керного локуса предполагает, что параметры пейсмекерного потенциала в дальнейшем, по мере его распространения от места возникновения, будут определяться электротоническими свойствами мембраны. По-видимому, пейсмекерная активность не характерна для удаленных периферических ветвей отростков нейронов, за исключением особых экспериментальных условий.

Небольшое искусственное смещение уровня ПП в некоторых случаях не приводило к изменению частоты генерации ПД. Одновременно подпороговая в отношении вызова ПД анти-ортодромная стимуляция вызывала изменение частоты пейсмекерных ПД этих нейронов без видимых изменений уровня ПП, регистрируемого от соматической мембраны. В некоторых гигантских нейронах с пейсмекерными фоновыми ПД искусственная гиперполяризация может приводить к подавлению соматического компонента ПД, однако не изменяет частоты генерации оставшихся разноамплитудных компонентов. Усиление гиперполяризации вызывает уменьшение частоты А-компонентов и их полное исчезновение.

В нейронах моллюсков синапсы, а соответственно и локусы генерации ПСП находятся на аксонах (аксо-аксональные синапсы). Локус же генерации пейсмекерного потенциала расположен на мембране сомы нейрона. Это представление о существовании соматического пейсмекерного потенциала, независимого от синаптических процессов, подтверждается тем, что после перевязки аксона вблизи от сомы нейрона тонкой ниткой все ПСП исчезают, а пейсмекерный потенциал остается. Эндогенное происхождение пейсмекерного потенциала подтверждается полной механической изоляцией нейрона моллюска, которая достигается обработкой ганглия трипсином.

В изолированном нейроне остается только пейсмекерная активность, сохраняя тот же уровень колебаний, что и в интактном ганглии. В ряде случаев в отдельном нейроне микроэлектродом можно регистрировать несколько независимых пейсмекерных потенциалов, каждый из которых способен вызывать свои ПД. Эти ПД отличаются амплитудой, формой и частотой генерации. Отсутствие относительной и абсолютной рефрактерности для этих ПД указывает на то, что они возникают в разных функционально изолированных участках мембраны. Независимость пейсмекерных потенциалов подтверждается тем, что гиперполяризация влияет на каждый пейсмекерный потенциал по-разному: частота одного из них снижается больше, другого — меньше. Деполяризация, ускоряя оба пейсмекерных потенциала, действует сильнее на тот из них, который больше замедляется при гиперполяризации. Различное воздействие электрического тока на два пейсмекер-

Плана I Псирофнзиолошя Клеточные основы обучения

5 Пейсмекерный потенциал

ных потенциала можно объяснить разным удалением двух независимых пеисмекерных локусов соматической мембраны от кончика микроэлектрода, введенного в нейрон.

Дальнейшее изучение локализации механизма пеисмекерных потенциалов в нейроне связано с экспериментами Б. Альвинг, показавшей, что пейсмекерная спайковая активность продолжает регистрироваться и после электрической изоляции тела клетки и части отростка от ганглия при помощи наложения лигатуры. В этих условиях при микроэлектродной регистрации от сомы было показано сохранение монотонной и групповой спайковой активности пеисмекерных нейронов. Такие же результаты получены и в экспериментах, в которых с помощью протеолитических ферментов проводили полную механическую изоляцию тел отдельных нейронов с отростками разной длины или вообще без отростков. Эспериментаторы обнаружили сохранение исходного вида пейсмекерной активности в таких полностью изолированных нейронах. Эти факты говорят о том, что пейсмекерный механизм локализован в соме.

Некоторые данные свидетельствуют о том, что не исключена возможность локализации пеисмекерных локусов на отростках нервных клеток. Например, было показано, что антибиотик циклогексимид способен вызывать появление медленных эндогенных волн, сходных с пейсмекерной активностью пачковых нейронов. Очевидно, это вещество активирует латентно-пейсмекерный локус, что подтверждается тестом на подавление полученных волн с помощью оуабаина. Изоляция такого нейрона от ганглия и наложение лигатуры за зоной генерации ПД на отросток не предотвращает активирующего действия цик-логексимида, т.е. не блокирует механизм пейсмекерной активности. Однако, если лигатуру наложить на коническую часть сомы — в начале промежуточного сегмента, то введение антибиотика уже не вызывает появления медленных волн, хотя уровень ПП такого нейрона остается выше 40 мВ, а возбудимость соматической мембраны сохраняется. Результаты работы ученых свидетельствуют о том, что дистальный пейсмекерный потенциал возникает в районе отростка между промежуточным сегментом и зоной генерации ПД в начале медиального сегмента.

Из опытов А. Арванитаки и X. Шилазонитис (1956) следует, что размер локуса пейсмекерной активности на мембране нейрона равен 50—100 мкм. Таких участков может быть несколько на соме нейрона и на различных ветвях отростков клетки. Пейсмекерный локус — это ограниченный участок мембраны нервной клетки, способный к генерации электрических потенциалов. Такие локусы могут находиться как на уровне соматической мембраны, так и вблизи области генера-

ции ПД на отростке. Различие форм пеисмекерных волн объясняется, видимо, различным расстоянием локусов пейсмекерной активности от отводящего микроэлектрода. В одной и той ж,е нервной клетке возможно существование нескольких локусов пейсмекерной активности. В зависимости от активации того или иного пейсмекер-ного локуса возникают ПД, различающиеся своей амплитудой, критической величиной деполяризации и величиной следовой гиперполяризации.

5.2. Пейсмекер-эндогенный процесс

Способность к длительной ритмической активности сохраняется у некоторых клеток в течение длительного времени после полного их выделения. Следовательно, в ее основе, действительно, лежат эндогенные процессы, приводящие к периодическому изменению ионной проницаемости поверхностной мембраны. Важную роль играют изменения ионной проницаемости мембраны под действием некоторых цитоплазматических факторов, например, системы обмена циклических нуклеотидов. Изменения активности этой системы при действии на соматическую мембрану некоторых гормонов или других внеси-наптических химических влияний могут модулировать ритмическую активность клетки (эндогенная модуляция).

Запускать генерацию колебаний мембранного потенциала могут синаптические и внесинаптические влияния. Л. Тауц и X. Гершен-фельд (1960) обнаружили, что соматическая мембрана нейронов моллюсков, не имеющая на своей поверхности синаптических окончаний, обладает высокой чувствительностью к медиаторным веществам и, следовательно, имеет молекулярные хемоуправляемые структуры, свойственные постсинаптической мембране. Наличие внесинаптичес-кой рецепции показывает возможность модуляции пейсмекерной активности диффузным действием выделяющихся медиаторных веществ.

Сложившаяся концепция о двух типах мембранных структур — электровозбудимой и электроневозбудимой, но химически возбудимой, заложила основу представлений о нейроне как пороговом устройстве, обладающем свойством суммации возбуждающих и тормозных синаптических потенциалов. Принципиально новое, что вносит эндогенный пейсмекерный потенциал в функционирование нейрона, заключается в следующем: пейсмекерный потенциал превращает нейрон из сумматора синаптических потенциалов в генератор Представление о нейроне как управляемом генераторе заставляет по-новому взглянуть на организацию многих функций нейрона.

Глава I. Нейрофизиология. Клеточные основы обучения

5. Пейсмекерный потенциал

5.3. Пейсмекерные потенциалы и локальные потенциалы

Под локальным потенциалом обычно понимается ограниченное пассивное изменение проницаемости электровозбудимой мембраны (под влиянием возбуждения ВПСП, электротонический потенциал), предшествующего ПД. Понятие локальных потенциалов нельзя путать с локальными ответами. ,

В тех случаях, когда пейсмекерные потенциалы возникают в чистом виде, то отличие их от локального потенциала не представляет трудности. Для локального потенциала не характерна двухфазная реакция, свойственная пейсмекерному потенциалу. Локальный потенциал не может возникнуть самостоятельно. Для его возникновения всегда необходимо предварительное возбуждение, т.е. первоначальная активация нейрона с помощью ПСП, электротонического потенциала. Пейсмекерный же потенциал может возникать и без внешнего воздействия. В то же время пейсмекерный механизм, вызывая локальное смещение мембранного потенциала, сам может провоцировать локальный потенциал, предшествующий возникновению пейс-мекерного ПД.

Выявить, какой вклад вносят локальный и пейсмекерный потенциалы в развитие спайка, можно только опираясь на различия их ионных процессов. Возникновение пейсмекерных потенциалов обеспечивается активным транспортом ионов, в то время как локальный потенциал — это местное изменение пассивной проницаемости электровозбудимой мембраны. Считается, что процесс возникновения пейсмекерных потенциалов обеспечивается активным транспортом ионов, в то время как локальный потенциал — это местное изменение пассивной проницаемости электровозбудимой мембраны. В процессе активного транспорта сопротивление мембраны не меняется, а изменение пассивной проницаемости сопровождается изменением сопротивления. Следовательно, измерение сопротивления мембраны может позволять разделить вклад пейсмекерных и локальных потенциалов в генерацию ПД. Если пейсмекерный потенциал, вызывающий ПД, есть комплекс процессов активного транспорта и пассивного изменения проницаемости мембраны, то сопротивление в начале деполяризаци-онной фазы пейсмекерного потенциала меняться не будет. Однако в момент наложения локального потенциала сопротивление начнет уменьшаться.

При низкой частоте генерации пейсмекерных ПД видны деполя-ризационно-гиперполяризационные пейсмекерные потенциалы. При высокой частоте пейсмекерных ПД фаза следовой гиперполяризации

переходит в деполяризационную фазу следующей пейсмекерной волны.

5.4. Активный транспорт ионов и мембранный потенциал

Поддержание ионных градиентов и соответственно электрической поляризации поверхностной мембраны при наличии постоянной утечки ионов является с энергетической точки зрения сложной задачей для клетки и требует, очевидно, затраты значительной части ее внутренней энергии. Механизм такого поддержания был выяснен в ряде классических работ по активному транспорту ионов через клеточные мембраны.

В настоящее время экспериментально обосновано положение о том, что перенос ионов К внутрь клетки и ионов Na из клетки против электрохимических градиентов производится с помощью локализованной в поверхностной мембране энзиматической системы Na, К-активи-руемой аденозинтрифосфатазы (АТФазы), использующей энергию синтезируемых в клетке макроэргических фосфорных соединений. В частности, это показано и в опытах на нейрональных мембранах. Во всех случаях между активностью Na, К-АТФазы и выраженностью активного транспорта ионов обнаруживается параллелизм. Кроме того, факторы, подавляющие активность этой ферментативной системы, всегда параллельно подавляют и активный ионный транспорт.

Являясь лишь источником энергии для накопления определенных ионов в клетке и для выведения их оттуда, энзиматическая система активного транспорта в принципе не должна была бы оказывать какого-либо прямого действия на мембранные системы пассивной ионной проницаемости, лежащие в основе электрической возбудимости. Обе системы должны быть связаны лишь через возникающие трансмембранные ионные градиенты. Однако это заключение справедливо лишь в том случае, когда система активного транспорта обменивает внутриклеточные ионы на внеклеточные на электронейтральной основе (заряд на заряд). Если сумма зарядов, перенесенных в одном направлении, не будет компенсироваться суммой зарядов, перенесенных в противоположном направлении, то транспортный механизм будет обладать самостоятельной способностью создавать трансмембранную разность потенциалов, которая не подчиняется обычным диффузионным закономерностям. Это и есть активный транспорт ионов. В опытах на гигантских аксонах А. Ходжкин и Р. Кейнз не обнаружили действия ингибиторов активного транспорта на мембранный потенциал и поэтому заключили, что перенос ионов

Глава I. Нейрофизиология Клеточные основы обучения

5 Пейсмекерпый потенциал

через аксональную мембрану не сопровождается разделением зарядов. В последующих тщательных измерениях действия широко используемого ингибитора активного транспорта — строфантина-Д — исследователи обнаружили на гигантском аксоне деполяризацию всего в 1,4 мВ.

В отличие от аксональной мембраны на соматической мембране нейронов моллюсков электрогенный активный транспорт обнаруживается очень четко. При действии строфантина (оуабаина) она деполяризуется на 7—15 мВ, что указывает на примерную величину вклада электрогенного транспорта в мембранный потенциал клетки в состоянии покоя. Измерение температурной зависимости потенциала покоя дает косвенные сведения об участии электрогенного насоса в его формировании. У нейронов улитки эта зависимость значительно превышает аналогичную зависимость для диффузионных процессов.

Нервные клетки моллюсков были использованы рядом авторов для введения в них избыточного количества ионов. В настоящее время установлено, что уровень мембранного потенциала нервных клеток моллюсков обеспечивается компонентом, определяемым полупроницаемыми свойствами плазматической мембраны и активным компонентом, метаболически зависимым транспортом ионов. Оказалось, что вклад метаболически зависимого компонента в общую величину исходного ПП может быть различен. Если локальный потенциал является частным случаем механизма генерации ПД, то пейсмекер-ный потенциал принадлежит к особому классу потенциалов — электрогенному эффекту активного транспорта ионов. Особенности ионных механизмов электрической возбудимости соматической мембраны лежат в основе важных свойств нервной клетки, в первую очередь ее способности генерировать ритмические разряды нервных импульсов. Электрогенный эффект активного транспорта возникает в результате несбалансированного переноса ионов в разных направлениях. Широко известен гиперполяризационный постоянный потенциал как результат активного вывода ионов натрия, суммирующийся потенциалом Нернста. Дополнительное включение активного насоса ионов натрия создает фазические медленные волны гиперполяризации, возникающие обычно вслед за высокочастотной группой ПД, приводящей к избыточному накоплению натрия в нейроне. Несомненно, что некоторые из компонентов механизма электрической возбудимости соматической мембраны, а именно, электроуправляемые кальциевые каналы, являются вместе с тем фактором, сопрягающим мембранную активность с цитоплазматическими процессами, в частности с процессами протоплазматического транспорта и нервной тро-

фики. Детальное выяснение этого важного вопроса требует, однако, дальнейшего экспериментального изучения.

Сохранение пейсмекерного потенциала после подавления потенциала действия тетродотоксином. Можно предположить, что волна деполяризации, образующая колебания пейсмекерного потенциала, представляет собой медленно развивающийся процесс электровозбудимой мембраны, аналогичный по механизму ПД. Известно, что генерация ПД связана с открыванием натриевых пор. Вход натрия в нейрон по электрохимическому градиенту блокируется тетродотоксином, переводящим натриевые каналы в латентное состояние. В результате ПД полностью исчезает. МП при этом не меняется. Сопротивление мембраны также остается без изменений. Оказалось, что при исключении генерации ПД частота и амплитуда пейсмекерных потенциалов остается той же, что и в интактном нейроне. Пейсмекерные осцилляции в нейроне, подвергнутом действию тетродотоксина, воспроизводят конфигурацию разряда интактного нейрона.

5.5. Влияние температуры на пейсмекер

Считается, что температурное воздействие на активность нервных клеток является одним из наиболее адекватных способов, дающих возможность отдифференцировать механизм пассивных температур-но независимых изменений проводимости мембраны от ее изменений, связанных с метаболическими процессами внутри нервной клетки, которые лежат в основе пейсмекерной активности. Действительно, активность пейсмекерного локуса нейрона в значительной степени зависит от температуры окружающей среды. Так, изменение температуры от +2 до +42°С вызывает значительную модификацию пейсмекерной фоновой активности. Увеличение температуры приводит к возрастанию уровня поляризации пейсмекерных нейронов и к одновременному увеличению частоты их генерации. Уровень критической деполяризации, необходимой для генерации ПД, при этом остается неизменным. С дальнейшим ростом температуры перестает изменяться ПД, а частота ПД начинает падать. Снижение температуры приводит к уменьшению по частоте возникновения монотонных пейсмекерных ПД.

Д. Карпентер (1967) считает, что повышение температуры увеличивает частоту пейсмекерной активности за счет прямого ее действия на ионные механизмы пейсмекерной активности. Но, может быть, температура прежде всего изменяет внутриклеточную и внутримем-бранную концентрацию свободных ионов, приводя к изменению сопротивления мембраны. В то же время она приводит к гиперполяриза-

4-1015

Глава I Нейрофизиология Клеточные основы обучения

5 Пейсмекерный потенциал

ции клетки и изменению потенциала равновесия для калия. В таком случае на фоне гиперполяризации будет отмечаться увеличение частоты пейсмекерных потенциалов. Повышение температуры может также приводить к усилению спонтанного выброса медиатора, увеличивая частоту ПД в синаптически пейсмекерном нейроне.

Пейсмекерный механизм, являясь эндогенным по происхождению, может активироваться и инактивироваться на длительное время в результате афферентных воздействий на нейрон. Пластические реакции нейрона могут обеспечиваться изменениями эффективности синапти-ческой передачи и возбудимости пейсмекерного механизма. Анализ взаимоотношений пейсмекерного и синаптического потенциалов позволяет говорить о том, что пейсмекерный потенциал нервных клеток выполняет ряд важных функций. Прежде всего, пейсмекерный потенциал без каких-либо внешних воздействий на нейрон способен обеспечивать генерацию ПД в клетке, выступая в роли внутреннего механизма, переводящего функциональное состояние нейрона от одного уровня к другому. Изменение активности нейрона может происходить в результате метаболических изменений внутри клетки, связанных, например, с изменением концентрации гормонов в крови, а также с недостатком или излишком каких-либо клеточных метаболитов. По такому принципу работают, видимо, нейроны гипоталамуса, имеющие прямой контакт с кровяным руслом.

Принципиальная важность всех этих исследований заключается в том, что они привели к пересмотру представлений о нервной клетке как простом передатчике нервного сигнала, возникающего в случае суммации синаптических влияний до порогового уровня. Стало очевидным, что нервная клетка может быть источником собственной активности, оказывающей сложное действие на нижележащие последующие структуры. В то же время эта активность может служить и для передачи сигналов путем модуляции ее частоты.

Пейсмекерный потенциал, локализованный на различных ветвях отростка нейрона, позволяет одному нейрону выполнять функцию ансамбля нервных клеток. Так, одна из ветвей гигантского нейрона, не активируя всего нейрона, может обеспечивать деятельность того или иного локального физиологического акта. В случае усиления воздействий, приходящих к одной из спонтанно активных ветвей отростка этой клетки через синаптические контакты, возникает генерализованный ответ, превращая такой нейрон в единую функциональную систему. Пейсмекерный механизм, локализованный в соме, является усилителем приходящих синаптических воздействий. Одиночный ВПСП, не способный самостоятельно вызывать ПД, активирует сначала пейсмекерный механизм сомы, а затем совместное их действие приводит к

генерации ПД. Наконец, в спонтанно активных пейсмекерных нейронах пейсмекерный потенциал выступает как модулятор интегративно-го ответа нейрона, способный изменять активность нейрона в течение длительного времени.

Пейсмекерный потенциал является компактным способом передачи внутринейронной генетической информации. Приводя к генерации ПД, он обеспечивает возможность выхода эндогенных сигналов на другие нейроны, в том числе и эффекторные, обеспечивающие реакцию. Тот факт, что генетическая программа включает звено управления пейсмекерным потенциалом, позволяет нейрону реализовывать последовательность своих генетических программ. Наконец, пейсмекерный потенциал в той или иной степени может подвергаться синап-тическим влияниям. Этот путь позволяет интегрировать генетические программы с текущей активностью, обеспечивая гибкое управление последовательными программами. Пластические изменения пейсмекерного потенциала еще больше расширяют возможность приспособления наследственно фиксированных форм к потребностям организма. Пластические изменения развиваются в этом случае не в геноме, а на пути выхода наследственной программы на реализацию (на уровне генерации ПД).

5.6. Генетическая регуляция пейсмекерного потенциала

В рассмотренной выше схеме пейсмекерный потенциал зависит от ряда условий: уровня мембранного потенциала и содержания ионов. Кроме того, существует механизм генерации генетически обусловленной частоты пейсмекерной активности. У ряда нейронов частота пейсмекерной активности чрезвычайно устойчива, образуя характерную для каждой идентифицированной клетки последовательность потенциалов. Прямым доказательством генетической регуляции пейсмекерной активности служит мутант дрозофилы с ритмичным подергиванием ноги в условиях наркоза. Это подергивание возникает в результате того, что мотонейрон, управляющий движением ноги, получает сигналы от пейсмекерного интернейрона. Пейсмекерный потенциал этого интернейрона является выражением генетического влияния.

Видовую специфичность пейсмекерных потенциалов, видимо, следует отнести за счет того, что генетический аппарат может прямо влиять на механизм пейсмекерной активности. Возникает вопрос, как передается эта генетическая информация от генома к пейсмекерному механизму в нейроне. Одним из возможных механизмов управления может быть прямой путь- ДНК- и РНК-белок.

4«

Глава I Нейрофизиология Клеточные основы обучения

6 Организация рефлекторной дуги

6. Организация рефлекторной дуги

В качестве элементарных единиц поведения принято считать либо рефлексы, из которых складываются более сложные формы поведения, либо комплексы фиксированных действий, не сводимые к комбинации рефлекторных актов. В ходе эволюции происходит усложнение рефлекторной деятельности, поэтому понятие рефлекса охватывает различные по сложности поведенческие акты. Эволюция рефлекторной деятельности не сводится к объединению элементарных рефлексов, а включает в себя качественные преобразования, основанные на формировании новых нейронных структур, надстраивающихся над уровнем более элементарных единиц. В качестве примера можно указать на командные нейроны, надстроенные над уровнем мотонейронов, в результате чего возникает возможность реализации целостного поведенческого акта. Вместе с тем мотонейроны продолжают выполнять свои функции механизмов локальных реакций. Такое построение новых этажей управления за счет качественно новых нейронных структур образует иерархическую систему. Следовательно, рефлекторный акт — это усложняющаяся в эволюции иерархическая система. Исследование архитектуры рефлекторной дуги в простых биологических системах открывает путь к расшифровке ее нейронной организации с учетом тех синаптических связей, которые обеспечивают реализацию поведения.

Сравнительный анализ строения и функционирования нервной системы указывает на единство общих принципов переработки информации. Это единство основывается на общих для разных уровней филогенетического развития генетических механизмах, поэтому изучение нейронной организации простых биологических систем открывает путь познания базисных механизмов поведения. Анализ нейронных механизмов поведения улитки может служить примером такого подхода. Внешнее наблюдение за поведением улитки сразу же позволяет установить целостные поведенческие акты, отличающиеся составом участвующих в них мышечных элементов. Кроме того, различные рефлексы отличаются особенностями их изменения во времени. Совокупность определенным образом организованных мышечных единиц создает моторное поле рефлекса. Трансформация моторного поля во времени при реализации рефлекса образует траекторию его изменений в пространстве состояний. При значительном различии рефлексов по организации их моторных полей каждый из них варьирует от реализации к реализации, так что траектория изменений моторного

поля во времени по всем реализациям представляет собой полосу возможных изменений.

Рефлексы различаются не только строением моторного лоля и траекториями его изменений в ходе реализации, но и теми стимулами, которые вызывают рефлексы. Совокупность рецепторов, возбуждение которых приводит к возникновению определенного рефлекса, образует его рецептивное поле. Структура рецептивного поля рефлекса меняется в зависимости от ряда условий, связанных с внешней и внутренней средой организма.

Наконец, и моторное, и рецептивное поле данного рефлекса претерпевают направленные изменения в результате многократных раздражений, не сопровождаемых последующей стимуляцией (привыкание и сенситизация), или ассоциативного научения, когда стимул сопровождается подкреплением (классический и инструментальный условные рефлексы). Такое определение поведения по схеме «стимул — реакция» недостаточно для понимания его механизмов. Нейробиоло-гия требует расшифровки поведения на уровне идентифицированных нервных клеток.

6.1. Концептуальная рефлекторная дуга

В настоящее время накоплен большой материал относительно участия нейронов в различных видах рефлексов. Естественным шагом на пути обобщения этих данных является схематизация, позволяющая перейти к абстрактным элементам и построить из них структуру концептуальной рефлекторной дуги. В концептуальной рефлекторной дуге мы теряем детали отдельных рефлексов, зато выделяем наиболее существенные черты нейронного аппарата функционально различных групп. Концептуальная рефлекторная дуга — это схема нейронной организации рефлекторного акта. В качестве примера рассмотрим нейронную организацию оборонительного рефлекса улитки.

Стимул, действуя на группу рецепторов, возбуждает локальный детектор, связанный с группой мотонейронов и несколькими командными нейронами, обладающими перекрывающимися моторными полями. Локальный детектор связан с командными нейронами пластичными синапсами. Моторное поле каждого командного нейрона определяется тем составом мотонейронов, с которыми связан. Каждый мотонейрон связан с группой мышечных клеток и вызывает сложный по составу моторный ответ, образующий моторное поле данного рефлекса. Кроме того, командные нейроны имеют прямые связи с мышечными единицами, образующими фокус моторного поля командного нейрона.

Глава I Нейрофизиология Клеточные основы обуч*

6 Организация рефлекторной дуги

При достижении болевого порога локальных детекторов возбуждаются ноцицептивные детекторы, образующие на командном нейроне непластичные синапсы. Отдельные локальные детекторы, конвергируя на командный нейрон, своими рецептивными полями образуют рецептивное поле командного нейрона. Часть локальных детекторов, представляющих наиболее важный орган (пневмостому), представлена на командном нейроне непластичными синапсами.

Важным элементом концептуальной рефлекторной дуги являются модуляторные нейроны, специальные для каждой рефлекторной дуги. В системе оборонительного рефлекса модуляторные нейроны представлены группой нервных клеток, получающих возбуждение от локальных детекторов через пластичные синапсы и от ноцицептив-ных детекторов через непластичные синапсы. В свою очередь аксоны модуляторных нейронов оканчиваются на пресинаптических окончаниях локальных детекторов, которые образуют синапсы на командных нейронах. Возбуждение модуляторных нейронов усиливает эффективность синапсов детекторов, образованных на командном нейроне. Кроме того, модуляторные нейроны выделяют нейропептид в межклеточную среду, активируют внутриклеточные механизмы командных нейронов, включая латентный пейсмекерный механизм. Следует еще раз подчеркнуть, что выделение основных элементов концептуальной рефлекторной дуги явилось результатом обобщения данных о нейронных механизмах рефлексов у животных, стоящих на разных ступенях эволюционной лестницы. Значение такого абстрактного представления рефлекторной дуги заключается в достижении общего подхода к анализу конкретных нейронных механизмов памяти и обучения.

6.1.1. Командный нейрон

Каким образом возбуждение детекторов приводит к возникновению определенной реакции? Для объяснения этого явления необходимо ввести понятие командного нейрона. Командный нейрон представляет собой интернейрон, возбуждение которого приводит к генерации фиксированной реакции, вызывает целостный поведенческий акт или его отдельный фрагмент при помощи активации одних и торможения других нервных элементов. Реакция как целое определяется тем набором мотонейронов, с которыми связан данный командный нейрон. Если необходимо обеспечить набор разных реакций, то это достигается полем командных нейронов. Перемещение возбуждения по полю командных нейронов вызывает последовательность фиксированных реакций. Возбуждение командного нейрона определяется тем, какие

детекторы на нем конвергируют. Совокупность детекторов, конвергирующих на командном нейроне, определяет его рецептивное поле, а тем самым и рецептивное поле связанной с ним реакции. Моторное поле характеризует командный нейрон. Моторные поля родственных командных нейронов, обслуживающих один и тот же рефлекс, перекрываются. Таким образом, в зависимости от того, какой из командных нейронов активирован, возникает тот или иной вариант данного поведенческого акта. Командные нейроны сами образуют целые поля. Примером поля командных нейронов могут служить нейроны глубоких слоев передних бугров четверохолмия. Каждый такой нейрон характеризуется определенной моторной реакцией, разряжаясь перед совершением саккадического движения глаз определенной величины.

Внутриклеточная деполяризация командного нейрона через внутриклеточный микроэлектрод приводит к генерации серии потенциалов действия. Измерение двигательных реакций в разных участках тела показывает, что моторное поле командного нейрона охватывает практически все тело животного. При блокаде центральных синапсов ионами кобальта или кадмия реакции, опосредованные мотонейроном, выпадают. В этих условиях прямые связи командного нейрона с мышечными клетками в области пневмостомы сохраняются.

Командный нейрон оборонительного поведения обладает латент
ным пейсмекерным механизмом, который активируется под влиянием
сильных раздражений посредством модуляторных нейронов. Пейсме-
керные колебания мембранного потенциала командного нейрона
имеют эндогенное происхождение. При полной механической изоля
ции тела командного нейрона подпороговая деполяризация, вызван
ная внутриклеточным электрическим раздражением, приводит к воз
никновению пейсмекерных колебаний, которые, достигая порога, вы
зывают генерацию потенциалов действия. Электрически возбудимая
мембрана командных нейронов содержит потенциал-зависимые ион
ные каналы. Потенциал-зависимые кальциевые каналы представлены
двумя типами: высокопороговыми, принимающими участие в генера
ции потенциалов действия, и низкопороговыми, вносящими вклад в
генерацию пеисмекернои волны. Возникновение пеисмекернои волны
начинается деполяризацией, связанной с низкопороговыми кальцие
выми ионными каналами. Эта деполяризация сама способствует от
крытию новых низкопороговых кальциевых каналов, образуя меха
низм положительной обратной связи, ведущей к прогрессивному на
растанию деполяризации. При погружении изолированной сомы ко
мандного нейрона в физиологический раствор, содержащий ионы
кобальта или кадмия, блокирующие потенциал-зависимые кальцие
вые каналы, пейсмекерная активность прекращается. t

ю основы обучения

Глава I Нейрофизиология. КлеточнЫ'

6 Организация рефлекторной дуги

Хемочувствительная мембрана командного нейрона оборонительного поведения включает никотиновые и мускариновые холинорецеп-торы. Локальная аппликация ацетилхолина на отдельные локусы мембраны вызывает деполяризационные потенциалы, блокируемые тубокурарином или атропином соответственно. Кроме того, некоторые участки мембраны чувствительны к серотонину.

6.1.2. Детектор

Детектором называется нейрон, избирательно настроенный на определенное значение параметра входного сигнала. Селективная настройка детектора осуществляется за счет фиксированной системы связей его с рецепторами или другими афферентными нейронами более низкого уровня. На детекторе сходится несколько каналов. По каждому каналу возбуждение поступает через синаптичес-кий контакт, эффективность которого фиксирована. Если рецепторы при действии на них раздражителя порождают сигналы другого вида, то между рецепторами и селективными детекторами должны быть включены нейроны. Такие нейроны, стоящие между рецепторами и селективными детекторами, можно назвать предетекторами. Например, такое согласование сигналов рецепторов и селективных детекторов дает цветовое зрение. В этом случае между колбочками и цветоселективными детекторами включены предетекторы, получившие название оппонентных нейронов со спектральными характеристиками.

Кодируемый параметр представлен набором детекторов таким образом, что каждому значению этого параметра соответствует определенный детектор из данного набора. При изменении этого параметра входного сигнала максимум возбуждения перемещается по набору детекторов. Нахождение максимума возбуждения на наборе детекторов служит кодом данного входа.

У виноградной улитки наиболее подробно изучены локальные детекторы отдельных участков кожной поверхности и внутренних органов, селективно возбуждаемые при прикосновении. Детектор представляет собой типичный сенсорный биполярный нейрон, дендрит которого образует контакт с рецепторами. При действии стимула, адресованного к локальному рецептивному полю, внутриклеточно регистрируются потенциалы действия без заметного вклада возбудительных постсинаптических потенциалов (ВПСП), что указывает на импульсное распространение сигнала по дендриту детектора до сомы клетки. Локальное тактильное раздражение на участке рецептивного поля детектора вызывает сложный постсинаптический потенциал в

командном нейроне, что указывает на существование нескольких параллельных путей, ведущих от локального участка кожней поверхности к командному нейрону. Предположение о группе синапсов, представляющих моносинаптическую связь детектора с командным нейроном, можно проверить, инъекцируя одновременно в детектор и командный нейрон ионы разных металлов (обычно кобальта и никеля), позволяющих окрасить эти нейроны в разные цвета. Такой подход позволяет идентифицировать конкретный синапс и изучить его тонкую структуру.

Рецептивное поле локального детектора состоит из точечной возбуждающей зоны и широкого тормозного окружения, обнаруживаемого появлением длительных тормозных постсинаптических потенциалов (ТПСП). Их появление можно связать с латеральным торможением между детекторами. В результате такой организации детектор сильнее отвечает именно на локальный раздражитель, чем на стимулы, затрагивающие разные участки кожной поверхности.

6.1.3. Модуляторные нейроны

Модуляторные нейроны оборонительного рефлекса представлены пулом серотонинергических нейронов педального ганглия. Электрическое раздражение этих нейронов ведет к выделению серотонина, который, активируя аденилатциклазу, обеспечивает синтез цАМФ, приводит (при участии цАМФ-зависимой протеинкиназы) к фосфорили-рованию белков, образующих ионные кальциевые каналы. Потенциал-зависимые кальциевые каналы могут находиться в двух основных состояниях: открытом, когда через канал проходят ионы кальция, и закрытом, когда ионы кальция через канал не проходят. В свою очередь закрытое состояние может быть разным. В закрытом, «спящем» состоянии канал характеризуется такой конфигурацией белка, когда он не реагирует на изменение электрического поля. Это состояние связано с наличием дефосфорилированного белка, образующего ионный канал. Закрытому каналу, реагирующему на изменение электрического поля, соответствует фосфорилирование белка ионного канала. Серотонин как медиатор модулирующего нейрона переводит кальциевые каналы из «спящего» в рабочее, реактивное состояние. Теперь приход нервного импульса к синаптической терминали вызывает до-• полнительное открытие кальциевых каналов и увеличение входа кальция в синаптическое окончание. Дополнительный кальций, входящий в пресинаптическии участок, увеличивает выброс медиатора в синаптическую щель, что ведет к увеличению амплитуды возбуждающего потенциала командного нейрона. Введение в физиологический

Глава I 11ейрофизиология Клеточные основы обучения

7 Механизмы научения

, раствор серотонина воспроизводит эффект раздражения модуляторных нейронов.

Модуляторные нейроны, выделяя в межклеточную среду пептид, активируют пейсмекерную активность командного нейрона, мобилизуя низкопороговые потенциал-зависимые кальциевые каналы. Эта мобилизация, видимо, как и в случае действия серотонина на преси-наптические окончания, связана с их фосфорилированием, переводящим кальциевые каналы из «спящего» в реактивное состояние. Различие заключается в типе кальциевых каналов: в пресинаптических окончаниях активируются высокопороговые, а в соме нейрона — низкопороговые кальциевые каналы.

6.2. Принципы кодирования номером канала

Понятие анализатора, введенное И.П. Павловым, в процессе изучения нейронных механизмов сенсорных систем пополнилось новым содержанием. Оказалось, что сигналы, выделенные рецепторами, подвергаются анализу в нейронных сетях так, что отдельные нейроны выделяют дробные признаки. Тот факт, что разные параметры сигнала представлены возбуждением различных нейронов, означает, что анализ осуществляется посредством кодирования сигнала номером канала. Кодирование сигнала рисунком разряда одного нейрона и кодирование ансамблем нейронов не имеют надежных экспериментальных подтверждений.

Принцип кодирования номером канала состоит в том, что: 1) определенному сигналу в нервной системе ставится в соответствие определенный максимально возбужденный нейрон-детектор, 2) определенной реакции соответствует максимальное возбуждение реализующего ее командного нейрона. Таким образом при изменении стимула или при смене реакций максимум возбуждения перемещается с одного детектора или командного нейрона на другой.

В эволюции кодирование сигнала номером канала ведет свое начало от кожной чувствительности, где изменение положения стимула приводит к перемещению максимума возбуждения с одного участка рецептивной поверхности на другой. Дальнейшее усложнение этой схемы представлено в слуховом анализаторе, где звук не может непосредственно перемещаться по рецептивной поверхности и кодирование номером канала осуществляется смещением места, в котором достигается максимум деформации волосковых клеток внутреннего уха при изменении частоты и интенсивности звука.

В том случае, когда стимул не может вызывать даже опосредованного смещения максимума возбуждения по рецептивной поверхности,

кодирование номером канала реализуется за счет такой системы связей между рецепторами и афферентными нейронами, при которой определенной комбинации возбуждений рецепторов соответствует единственный максимум возбуждения на наборе афферентных нейронов. При изменении стимула меняется комбинация возбуждений рецепторов и максимум возбуждения перемещается с одного афферентного нейрона на другой. Примером может служить цветовое зрение, где изменение комбинаций возбуждений трех типов колбочек приводит к перемещению максимума возбуждения с одного цветоселективного афферентного нейрона на другой.

7. Механизмы научения

Исторически сложились два конфликтующих между собой подхода к проблеме обучения. Сетевой подход восходит к нейронной доктрине. В ней подчеркивается роль нейрона как функциональной единицы нервной системы, а синапсам отводится решающая роль в хранении информации. В своей ранней версии этот подход основывался на нейробиотаксисе, который использовался для того, чтобы объяснить некоторые факты нейроэмбриологии и сравнительной анатомии. В соответствии с концепцией нейробиотаксиса, рост новых синапсов стимулируется продолжительной электрической активностью двух нервных клеток, что становится причиной прорастания терминалей аксона одной клетки к дендритам другой, тем самым формируя новый синапс.

«Полевой» подход восходит к гештальт-теории. Предполагается, что информация хранится в биоэлектрических полях, создаваемых аггрегированной активностью многих нейронов. Гештальт-теория подчеркивала, что восприятие зависит от конфигурации в целом, а не от суммы каких-то отдельных частей. Аналогичным же образом в «полевой» гипотезе подчеркивался глобальный аспект нейронной активности, а индивидуальный вклад нейронов и специфика нейронных соединений игнорировалась совсем. Начиная с 20-х гг. XX в., наиболее ярким выразителем идей «полевого» подхода был К. Лешли. В результате своих исследований, связанных с экстирпацией участков коры головного мозга и изучением влияния этих операций на обучение в лабиринте, он сделал вывод о том, что поведенческие нарушения зависят от количества экстирпированного мозгового вещества, а не от локализации повреждения. К. Лешли считал, что будущее развитие клеточной нейрофизиологии мало поможет изучению механизмов памяти и обучения. Сейчас, критически оценивая эти взгляды, не стоит забывать о том, что нейрофизиология во времена К. Лешли еще толь-

Глава 1. Нейрофизиология. Клеточные основы обучения

7. Механизмы научения

ко начиналась. Ответом на «антиконнекционизм» К. Лешли стали опыты в области генетической биологии. Р. Сперри (1940) начал изучать специфичность развития связей во время регенерации нерва и показал, что у низших позвоночных такое сложное поведение, как зрительное восприятие и двигательная координация, самым лучшим образом может быть объяснено с позиций высокоспецифических связей. С тех пор в нейронауке накоплен колоссальный фактический материал, который не обеспечивает безусловной эмпирической опоры ни одной из этих концепций. На самом деле, все новые и новые открытия в области нейрогенетики, нейрохимии и нейрофизиологии еще только позволяют сформулировать вопросы, решение которых станет принципиальным для понимания механизмов обучения и памяти.

Для ответа на вопрос о том, обладает ли система памятью и каковы ее характеристики, в простейшем-случае можно использовать многократное повторение внешнего сигнала с интервалами, превосходящими время переходного процесса. Если в результате повторений сигнала система оказывается способной воспроизвести запись, то она обладает механизмом записи, сохранения, считывания и воспроизведения, памятью в собственном смысле слова. Общая характеристика памяти включает длительность процесса фиксации, прочность удержания, продолжительность и объем сохранения, полноту, точность и скорость считывания и особенности воспроизведения.

7.1. Следовые процессы

При изучении реакции на уровне отдельного нейрона следует иметь в виду, что термин «отдельный нейрон» относится к условиям микроэлектродного отведения. Реально работа изучаемого нейрона определяется совокупностью нейронов, образующих нейронную сеть. Поскольку разные нейроны занимают разное место в нейронной сети, их реакции будут существенно отличаться даже при полной идентичности их внутренних свойств. В реакциях изучаемого нейрона отражается сложное взаимодействие свойств нейронной сети и специфических особенностей данного элемента.

При классификации следовых процессов необходимо рассматривать их зависимость от отсчета времени и возможности воспроизведения по сигналам, поступающим от других рецепторов. Первый критерий позволяет выделить следовые эффекты, связанные и не связанные с отсчетом времени после действия раздражителя. Первая группа включает : а) следовой эффект в виде переходного процесса, время которого определяется возвращением спайковой активности к исходному уровню. В ряде случаев спонтанная ритмика у нейрона отсутст-

вует, поэтому время возвращения к исходному состоянию обнаружить не удается. В этом случае использование парных раздражений позволяет косвенно исследовать фазы переходного процесса; б) с/гедовые эффекты в виде изменения свойств переходного процесса: длительности, величины, латентного периода, конфигурации. Наконец, важным показателем следовых эффектов может быть вариативность реакции и, в частности, ее латентного периода, а также отношение сигнал-шум.

Во вторую группу следов входят эффекты, связанные с отметкой момента действия стимула: а) угасание реакций, избирательное в отношении момента раздражения; б) угасание реакций, специфическое в отношении интервала между раздражениями усиления или появление реакции. В данном случае речь идет о нейронном уровне условного рефлекса на время: тормозного или возбудительного. Используя получение информации от других анализаторов как критерий разделения следовых процессов, следует рассмотреть динамические свойства разных типов конвергенции сигналов на одном нейроне.

Развитие методов нейрофизиологического анализа работы нервных клеток позволило исследователям подойти к интерпретации явлений памяти. Обычно данные о процессах памяти получают на основе результатов воспроизведения. Однако воспроизведение само зависит от условий восприятия, условий фиксации, избирательности считывания, особенностей эфферентной системы, участвующей в воспроизведении сигнала. Энграммы памяти могут храниться в течение всей жизни, а доступ к ним утрачивается. Опыты, проведенные У. Пенфилдом (1969), показали, что при раздражении электрическим током зон «перекрытия» анализаторов на границе височной, затылочной и теменной областей коры больших полушарий больной, находящийся под местной анестезией, вновь переживает целые сцены из своего прошлого. Эти переживания либо носят характер сновидений, либо приобретают яркость галлюцинаций. Больной слышит мелодии, голоса, узнает говорящих, видит входящих в помещение людей. Проверка показала, что действительно воспроизводятся картины пережитых событий, которые в обычных условиях не вспоминаются. Анализ случаев феноменальной памяти, проведенный А.Р. Лурия, показывает возможность безошибочного воспроизведения сложного бессвязного текста спустя пятнадцать лет после его первоначального заучивания, что также свидетельствует в пользу устойчивости следов памяти. Следовательно, можно говорить о существовании механизма памяти в виде непрерывной записи событий с одновременной отметкой времени каждого переживания. Однако лишь часть этих «записей» поддается в обычных условиях воспроизведению, которое ограничено воз-

Глава I Нейрофизиология Клеточные основы обучения

7 Механизмы научения

можностями считывания. Используя метод суммирования вызванных потенциалов, отводимых с помощью вживленных в лобные отделы коры больших полушарий человека электродов, Г Уолтер (1965) обнаружил «волну ожидания» в форме негативного колебания, появляющегося всякий раз перед тем, как испытуемому предстояло совершить действие или принять решение. Электроэнцефалограммы (ЭЭГ) позволяют приблизиться к внутренним процессам и получить новые данные о природе нервного следа. Рассмотренные выше эффекты репродукции следа позволят осуществить «наложение» реакции на внешний сигнал и получить данные о «конфигурации» следа памяти. Однако такие исследования памяти ограничены возможностями механизмов считывания и воспроизведения. Исключить или снизить их участие в механизме считывания и воспроизведения при изучении памяти можно при помощи анализа узнавания, основанного на сличении внешних сигналов со следами раздражений, хранимых в памяти. Обычно при изучении узнавания испытуемые выбирают из серии объектов те, которые были им предъявлены ранее. В этом случае механизм воспроизведения следа исключается и эффективность памяти измеряется количеством правильных идентификаций. Однако описанный прием не позволяет исследовать «конфигурацию» следа памяти. Для того чтобы метод узнавания стал пригодным для изучения конфигурации следа памяти, порядок исследования должен быть несколько изменен. Сначала предъявляется стимул-эталон, с которым и сравниваются поступающие позже сигналы. Привыкание и есть одна из форм обучения, результатом которой является формирование энграммы стимула-эталона. Рассогласование действующего стимула с созданной энграм-мой становится причиной развития ориентировочной реакции.

7.2. Привыкание

Одной из важнейших реакций животных и человека является реакция на новизну стимула — ориентировочный рефлекс, или рефлекс «Что такое?», как назвал его И.П. Павлов. При повторении стимула развивается привыкание. Оно является негативным научением, одной из простейших форм приобретения индивидуального опыта, которое состоит в постепенном избирательном подавлении и полном исчезновении реакции при повторении раздражителя с интервалами, исключающими периферическую адаптацию и эффект утомления. По целому ряду признаков «негативное научение» совпадает с внутренним торможением. Исследование угашения разных компонентов ориентировочного рефлекса показало, что избирательность процесса угашения опосредована следом повторяющегося раздражителя — «нервной

моделью стимула». Преимуществом «негативного научения» при исследовании следовых процессов на уровне поведения и отдельного нейрона по сравнению с другими видами условных рефлексов является простота экспериментальной ситуации, сводящейся к многократному нанесению раздражителя.

Термин «привыкание» первоначально использовался в поведенческих опытах как на простых, так и на сложных организмах с целью описания снижения ответа на монотонно повторяющийся стимул. Привыкание отличается от утомления тем, что после предъявления экстрастимула — любого стимула, отличающегося от ранее использованного по одному из параметров — наблюдается восстановление ответа (растормаживание). Очевидно, что декремент ответа является свойством многих видов поведения и нейронных объединений. Даже простейшие нейронные системы демонстрируют такой декремент, параметрически сходный с привыканием, которое демонстрируется на уровне интактного организма.

Основные параметры привыкания следующие:

при повторении стимула наблюдается снижение амплитуды вы
зываемого им ответа;
чем чаще предъявление стимула, тем быстрее и отчетливее дек
ремент;
на более слабый стимул декремент более отчетливый, на силь
ные стимулы привыкание возможно только незначительное;
восстановление может быть продолжено при помощи повтор
ной стимуляции даже в том случае, когда декремент выражен доста
точно ярко, вплоть до полного уничтожения ответа;
привыкание ответа на данный стимул может генерализоваться и
показывать привыкание и к другим стимулам;
при прекращении стимуляции происходит спонтанное восста
новление ответа;
привыкание происходит быстрее при повторных предъявлениях
и восстановлениях;

предъявление сильного экстрастимула вызывает восстановле
ние ответа (растормаживание);
при повторных использованиях эффективность экстрастимула
снижается.

Ценность этих характеристик привыкания в том, что они применимы и для идентификации явлений снижения ответов у простых нервных систем.

Привыкание является наиболее подробно изученной формой стимул-зависимого обучения. Его называют также негативным научением, поскольку главная его задача — научиться не реагировать на опре-

Глаиа I Нейрофизиология. Клеточные основы обучения

7 Механизмы научения

деленный стимул. Привыкание в той или иной степени присутствует в разных рефлексах. Степень его выраженности зависит от специфичности стимула, силы раздражения и состояния организма. В самом общем виде привыкание — это постепенное снижение реакции в ходе повторений стимула. Отличие привыкания от утомления и истощения в том, что реакцию можно восстановить простым изменением стимула. Наиболее отчетливо привыкание выражено в системе ориентировочного рефлекса.

7.2.1. Психофизиология памяти в школе Е.Н. Соколова

Объективное изучение ориентировочной реакции в контексте памяти было начато Е.Н. Соколовым и его коллегами в 50—60-е гг. Впервые в психологии в опытах использовались методы регистрации объективных показателей физиологических функций. Анализировали электроэнцефалограмму (ЭЭГ), частоту биения сердца, частоту дыхания, движения глаз, сопротивление кожи (КГР), плетизмограмму. Основной эксперимент был задуман так, что получали массу возможностей для исследования привыкания — пластичности, играющей важнейшую роль в ориентировочно-исследовательском поведении. Привыкание — негативная форма обучения, обнаруживаемая у всех живых существ, независимо от уровня их эволюционного развития. Привыкание стало тем феноменом, который положил начало систематическому исследованию механизмов памяти. Анализировались изменения, происходящие на макроуровне. В экспериментах Е.Н. Соколова была исследована динамика привыкания, выявлены его основные критерии, получены электрофизиологические показатели. Однако по мере накопления экспериментальных данных и появления новых научных гипотез выбор объектов для исследований расширялся — начавшись с исследований привыкания на уровне человека, в настоящее время он включает анализ нейрогенетических механизмов, изучение генетического контроля эффективности работы синаптических контактов во время формирования пластических изменений.

Исследование памяти методом угашения ориентировочного рефлекса. Каждый новый раздражитель, в том числе световой, вызывает комплекс соматических, вегетативных и электроэнцефалографических реакций — генерализованную ориентировочную реакцию. Но по мере повторения светового сигнала генерализованный ориентировочный рефлекс сменяется изменениями, ограниченными зрительной системой — локальным ориентировочным рефлексом, угасание которого развивается при дальнейшем применении раздражителя. Наиболее характерным выражением локального ориентировочного рефлек-

са является депрессия альфа-ритма затылочной области при действии
света. ,

Реакции депрессии альфа-ритма характеризуются определенным латентным периодом и длительностью. Фоновая ЭЭГ человека, находящегося в темноте с закрытыми глазами, выражена высокоамплитудным альфа-ритмом, лишь на короткое время сменяющимся депрессией. Наиболее вероятна в этих условиях депрессия длительностью 1—2 с. При открывании глаз число спонтанных реакций возрастает. Появление в поле зрения постоянной световой точки приводит к тому, что число реакций депрессии альфа-ритма, прежде всего тонических, еще более увеличивается. Однако следствием длительной фиксации светящейся точки является постепенное (2—12 опытов) развитие привыкания к ней. В результате спонтанные реакции депрессии альфа-ритма тонического типа исчезают, частота фазических реакций снижается, и ЭЭГ возвращается к типу, характерному для ЭЭГ при открытых глазах испытуемого в отсутствие фиксации. Что касается реакций депрессии альфа-ритма на световые раздражители разной интенсивности, то они в условиях непрерывной смены уровней интенсивности при применении 50—60 стимулов в опыте не угасают. Параметры депрессии альфа-ритма и вероятность попаданий закономерно связаны с интенсивностью раздражителя. В условиях нанесения разных по силе раздражителей с усилением раздражителя закономерно сокращается среднее значение и дисперсия латентного периода, возрастает вероятность попаданий. Длительность реакции депрессии альфа-ритма максимальна в области порогового значения стимула.

Можно предположить, что подобная форма зависимости длительности реакции ЭЭГ от интенсивности стимула возникает в силу того, что реакция депрессии альфа-ритма в условиях предъявления сигналов разной интенсивности зависит от двух факторов: физической силы раздражителя и трудности обнаружения сигнала при приближении к порогу.

Как меняются рассмотренные параметры реакций депрессии альфа-ритма в ходе многократных применений раздражителей разной интенсивности? Опыты показали, что у большинства испытуемых угашение наступает после 300—500 раздражений. В тех случаях, когда угашение развивалось, оно затрагивало либо одновременно все интенсивности раздражителей, либо могло начинаться с любой из них. При угашении сначала происходит сокращение длительности депрессии альфа-ритма и лишь потом снижается вероятность попаданий. При этом величина латентных периодов практически не меняется и определяется лишь интенсивностью стимула. Наблюдающееся в ряде случаев увеличение латентного периода связано с формальным примене-

5-1015

Нейрофизиология Клеточные основы обучения

7 Механизмы научения

ннем критериев начала реакции при ослаблении депрессии альфа-ритма.

Из приведенных опытов следует важный вывод о том, что латентный период депрессии альфа-ритма определяется прежде всего физической силон раздражителя, тогда как длительность реакции и вероятность ее появления зависит не только от физической силы, но и от степени достигнутого угасания.

Более того, в области надпороговых раздражителей длительность депрессии альфа-ритма и вероятность попадания определяется прежде всего степенью угашения реакции.

Угашение ориентировочного рефлекса состоит в потенциации синапсов вставочных нейронов. При этом афферентное коллатеральное торможение усиливается настолько, что реакция на выходе нейрона блокируется. Потенциированная система синапсов, соответствуя системе признаков повторяющегося сигнала, обеспечивает избирательность угашения ориентировочного рефлекса в отношении свойств наносимого раздражителя. При изменении раздражителя возбуждение поступает через новые синапсы, для которых афферентное коллатеральное торможение не выработано. Реакция на новый раздражитель тем больше, чем больше включено новых синапсов, т.е. чем большим количеством свойств новый раздражитель отличается от применявшегося ранее в опыте.

Гипотеза о том, что каждому афферентному входу соответствует особый вставочный нейрон, предполагает чрезвычайно большое число вставочных нейронов. Это приводит к предположению о том, что каждому синапсу на пирамидном нейроне соответствует образованный коллатерально синапс на вставочном нейроне. При этом потенциация, ведущая к возрастанию параллельного торможения, возникает в возбуждающих синапсах на теле вставочного нейрона. Повторение раздражителя приводит к сокращению латентного периода тормозного эффекта в отношении многократно применяемого в опыте стимула. Другой раздражитель, адресованный к другому синаптическому аппарату того же вставочного нейрона, но не «подготовленного» постси-наптической потенциацией, окажется неэффективным, вставочный нейрон не возбудится и не вызовет торможения. Пирамидный нейрон не будет заторможен и прореагирует.

Характерной чертой угашения ориентировочного рефлекса является высокая избирательность в отношении параметров стимула. Представление о синаптическом механизме «привыкания» хорошо согласуется с этими данными. Известно, что постсинаптическая потенциация избирательно возникает только в тех синапсах, которые непосредственно участвуют в проведении сигналов. Таким образом, на

уровне нейрона «внимания» следует ожидать избирательного угашения реакций на сигнал, специфически связанный с той, системой синапсов, которая участвует в кодировании наносимого раздражителя.

Специально следует остановиться на эффекте растормаживания, который позволяет отличать эффект ослабления реакции от ее угашения. После действия нового раздражителя реакция на прежний стимул временно восстанавливается. В рамках рассмотренной схемы этому соответствует временное выключение вставочных нейронов в цепи параллельного торможения. Это можно объяснить, предположив, что кроме возбуждающих синапсов на вставочных нейронах имеются тормозящие синапсы с высоким порогом, через которые осуществляется влияние детекторов новизны. При сильном возбуждении детекторов новизны вставочные нейроны временно отключаются, вызывая эффект растормаживания.

На основании имеющихся данных можно высказать предположение о том, что детекторы новизны расположены на разных уровнях ЦНС. Наиболее яркое участие в реакции новизны принимают нейроны гиппокампа и глубоких слоев коры. Что касается угасания реакций неспецифического таламуса и неспецифической системы среднего мозга, то не исключено, что они получают готовый сигнал новизны и поэтому угашение реакции у них отражает исчезновение реакции на новизну на другом уровне.

Определение конфигурации следа. Определение конфигурации следа памяти методом регистрации ориентировочного рефлекса основано на том, что его компоненты избирательно угасают в отношении параметров повторяющего сигнала. Изменение любого параметра стимула приводит к появлению ориентировочной реакции, величина которой в известных пределах пропорциональна разнице между наносимым раздражителем и сформировавшимся следом. После угашения реакции, достигнутого в отношении одного раздражителя, систематически изменяя тест-стимулы, можно определить границы сформировавшегося следа. Возможность изучения конфигурации следа памяти путем последовательных проб обусловлена структурой ориентировочного рефлекса, возбуждаемого нервными импульсами, которые возникают при сравнении внешнего сигнала со следом памяти. Систематическое изучение следовых процессов в зрительном анализаторе человека на основе угасания локального ориентировочного ответа в определенной области было проведено в ряде исследований. Задача состояла в том, что, получив угашение реакции депрессии ЭЭГ затылочной области на световой стимул фиксированной интенсивности, цвета, положения в пространстве, длительности и периодичности появления, последовательно изменять разные параметры стимула так,

Глава I Пеирофичиолошя Клеточные основы обучения

7 Механизмы научения

чтобы установить конфигурацию следа, возникшего в результате многократных нанесений стимула эталона.

В ходе опыта непрерывно регистрировалась ЭЭГ затылочной области. После того, как реакции в виде депрессии альфа-ритма угасали, один из параметров сигнала изменялся. Появление реакции при изменении стимула говорило о том, что нервная система отличает тест-стимул от следа стимула-эталона. После однократной пробы, чтобы исключить растормаживающее влияние тест-стимула, несколько раз наносился стимул-эталон. Когда реакция на стимул-эталон вновь устойчиво угасала, изменялся другой параметр сигнала. Были проведены опыты с изменением цвета и пространственного положения стимула'. В этом случае один глаз фиксировал центр периметра, а другой — закрывался повязкой. Тест-стимулы последовательно наносились на соседние участки сетчатки. При обработке данных определялась зависимость длительности ориентировочной реакции или частоты ее появления от изменения тест-стимула относительно изучаемого параметра стимул-эталона.

Поскольку ранее избирательное угасание было продемонстрировано в отношении высоты, интенсивности и других параметров звуковых раздражителей, то, обобщая полученные данные, можно сказать, что при многократном повторении раздражителя в памяти с большой точностью фиксируются все параметры сигнала. Таким образом, нервная система, фиксируя в изменении своих элементов совокупность свойств раздражителя, создает в известном смысле «нервную модель стимула», которую можно представить как многомерный самонастраивающийся фильтр, избирательно подавляющий повторяющиеся в опыте сигналы. С этой точки зрения, при одновременном изменении ряда параметров сигнала реакция фильтра определяется суммарным эффектом несовпадения тест-стимула со стимул-эталоном.

Опыты показали, что наиболее сильные реакции, включающие ряд вегетативных и соматических реакций, вызывал ритмический раздражитель, где количество измененных параметров было наибольшим. Полученные данные говорят о том, что отдельные признаки сигнала фиксируются самостоятельно и сличение внешнего сигнала со следом происходит по совокупности признаков.

7.2.2. Нервная модель стимула

Идея о нервной модели стимула, которая составила в дальнейшем теоретическую основу исследований Е.Н. Соколова и его коллег, возникла в процессе исследования ориентировочной реакции (1969). Основное содержание гипотезы о нервной модели стимула следующее —

в нервной системе создается след памяти о качествах действующего стимула. Все параметры фиксируются но мере предъявления стимула. При изменении физических характеристик стимул воспринимается как незнакомый. Действие нового стимула вызывает сигнал рассогласования с нервной моделью стимула, что ведет к растормаживанию реакции.

Формирование нервной модели стимула начинается с выделения отдельных признаков сигнала. Это осуществляется сетями, составленными из специфических афферентных нейронов. При этом отдельные признаки сигнала кодируются порядковым номером нейрона, стоящего на выходе нейронной сети. Под влиянием многократных повторений раздражителя афферентные нейронные сети перестраиваются и изменяют свои параметры так, что многократно повторяющиеся признаки сигнала подчеркиваются, т.е. в определенных нейронах эти признаки приобретают большую скорость поведения при осуществлении специфических рефлексов. Другие нейроны ослабляют свое действие. Облегчение одних и инактивация других элементов нейронной сети приводит к стабилизации реакции и позволяет воспринимать знакомые предметы быстрее и определеннее, чем малознакомые объекты. На ряде пирамидных нейронов новой коры и гиппокампа (нейронах «внимания») конвергирует множество признаков внешней среды. При этом, по-видимому, каждой отдельной градации признака сигнала соответствует отдельный синаптический контакт. Время действия раздражителя и интервал между отдельными раздражителями с этой точки зрения кодируется аналогичным образом — номерами нейронов, избирательно реагирующих на интервал между раздражителями. Сигнал поступает на нейрон «внимания» прямым путем в виде возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП) и параллельно через систему вставочных нейронов, заканчивающихся на нейроне «внимания» тормозящими синапсами в виде тормозного постсинаптического потенциала (ТПСП). В ходе многократного применения раздражителя происходит потенциация синаптических контактов вставочных нейронов, которые были вовлечены в реакцию. Матрица по-тенциированных синапсов, связанных с определенными свойствами раздражителя, хранит «конфигурацию» сигнала и является «нервной моделью стимула».

Исследование динамики ориентировочного рефлекса у человека и животных показало, что ориентировочная реакция возникает не на сам стимул, а в результате сличения стимула со следом, оставленным в нервной системе предшествующими раздражителями. Если данный стимул и след, оставленный ранее предъявленными раздражителями, совпадают, то ориентировочная реакция не возни-

'laud 1 Нейрофизиология Клеточные основы обучения

7 Механизмы научения

кает, если же не совпадает, то ориентировочная реакция возникает, причем она тем интенсивнее, чем больше различий между новым стимулом и следом, оставленным в результате многократного нанесения предшествующих стимулов. Конфигурация следа, оставленного в нервной системе в результате повторения раздражителя, фиксирует все параметры сигнала. Можно сказать, что нервная система модификацией своих элементов строит нервную модель внешнего стимула.

Нервная модель стимула как селективный фильтр. Раздражитель, параметры которого строго фиксированы, при первом применении вызывает у человека и животных целый комплекс реакций, включающий движение глаз в направлении стимула, кожно-гальваничес-кую реакцию, сосудистые изменения и депрессию альфа-ритма. Рассмотрим случай, когда раздражителем служит световое пятно, подаваемое с помощью проекционного периметра в определенный участок поля зрения человека. Размер пятна, его интенсивность, длительность и интервал между отдельными предъявлениями строго постоянны. После 10—15 предъявлений стимула компоненты генерализованного ориентировочного рефлекса угасают. Более устойчиво удерживаются локальные проявления ориентировочного рефлекса в виде депрессии альфа-ритма в затылочной области. После 30—40 предъявлений и эта реакция заметно редуцируется или полностью угасает. Тогда один из параметров стимула изменяется. При изменении любого из фиксированных параметров стимула на величину, превосходящую разностный порог, возникает реакция депрессии альфа-ритма, которая иногда сопровождается кожно-гальванической реакцией и движением глаз. Таким образом, под влиянием повторения стимула, обладающего фиксированными параметрами, нервная система селективно блокирует все сигналы, которые лежат в окрестности его фиксированного параметра. Вместе с тем все сигналы, лежащие вне фиксированного параметра, вызывают реакцию. Можно сказать, что нервная система вырабатывает селективный фильтр. Этот фильтр является самонастраивающимся и многомерным. Нервная модель стимула выполняет в таком фильтре функцию маски, отбирающей сигналы.

Поиск локализации нервной модели привел к разворачиванию работ на нейронном уровне. Где и в какой форме происходит фиксация параметров действующего стимула? Сначала эксперименты проводили на кроликах, регистрируя электрическую активность нейронов различных структур мозга экстраклеточными микроэлектродами, а затем, по мере углубления представлений о механизмах, участвующих в фиксации характеристик поступающего сигнала, стали выпол-

нять опыты на моллюске Limnaea stagnalis и на моллюске Helixрота-tia. Ответ на вопрос о конкретных нейрофизиологических механизмах, участвующих в «запоминании» параметров действующего стимула, искали при помощи микроэлектродной регистрации внутриклеточных процессов, которые развивались в отдельных клетках во время привыкания, а затем и при более сложных формах обучения (Соколов, 1969, 1981).

7.2.3. Простые системы в исследованиях механизмов обучения

Сложность признаков сигналов, используемых ЦНС позвоночных животных, затрудняет детальный анализ формирования нервной модели стимула в процессе негативного научения. Переход на нейроны моллюсков позволил изучить этот механизм в более простых условиях. Кроме того, наличие гигантских нейронов в ганглиях моллюсков позволяет осуществить внутриклеточное изучение негативной формы обучения в течение достаточно длительного времени.

Поведенческие опыты на улитках показали, что реакция в виде сокращения щупалец по мере повторения раздражения исчезает. Это привыкание специфично в отношении наносимого раздражения и относительно устойчиво, отличаясь от утомления и сенсорного утомления. Так, у Б. Холмгрена и С. Френка (1964) эффект привыкания был продемонстрирован на улитке методом внутриклеточной регистрации реакций отдельных нейронов. На нейронах абдоминального ганглия аплизии было обнаружено привыкание к механическим раздражениям кожи. Исследователи сразу оценили ряд преимуществ, характерных для электрофизиологического исследования гигантских нейронов.

Е.Н. Соколов и В.П. Дуленко (1968) в опытах на виноградной улитке изучали привыкание отдельных нейронов. Были использованы те же приемы, что и при изучении «негативного научения» на нервных клетках мозга кролика. В качестве раздражения применяли стимулы, наносимые на кожу ноги. Длящееся прикосновение вызывало эффект лишь своей начальной фазой, при продолжающем действии тактильного раздражителя на одну точку кожи реакция постепенно исчезала.

До опытов Е.Н. Соколова и его коллег в 60—70-е гг. никто серьезно не изучал пластические свойства пейсмекерного потенциала нейрона, хотя многих исследователей привлекала эта необычная по своему ге-незу и функциям активность нервных клеток. Моделируя ситуацию привыкания на одной клетке при внутриклеточной регистрации ее электрической активности, Е.Н. Соколов, А.Л. Крылова и Г.Г. Араке-

I .ыва I Нейрофизиология Клеточные основы обучения

7 Механизмы научения

лов открыли феномен эндонейронального привыкания, в основе которого лежи г пластичность пеисмекерного механизма. Электрофизиологические характеристики пейсмекерных потенциалов, их роль в организации поведения, участие в процессах памяти изучались на полу-интактных препаратах и полностью изолированных нейронах. Особенностью пейсмекерной активности является ее генетическая заданность, а многообразие проявлений пейсмекерной активности нейрона дает возможность подойти к исследованию проблемы нейро-генетических механизмов памяти. Результаты, полученные в опытах А.Л Крыловой и Г.Г. Аракелова, сделали возможным предположение об эндонейрональной природе энграммы, формирующейся в процессе негативного обучения. В дальнейшем идеи об эндонейрональной природе пластичности пейсмекерных потенциалов были подтверждены в экспериментах на полностью изолированных нейронах виноградной улитки. На этом препарате была воспроизведена вся основная феноменология, открытая исследователями на полуинтактных препаратах и препарате изолированной нервной системы, в том числе и привыкание (рис. 6).

Рис 6 Привыкание изолированного нейрона Helix pomatia к повторяющимся электрическим раздражениям через внутриклеточный микроэлектрод Сила тока 1,5 нА, длительность импульса 10 с а—в — ответы на 1, 5 и 9 предъявление, г—ответ на применение деполяризационного тока силой 0,6 нА (экстрастимул), д — ответ на стимул прежней силы после предъявления экстрастимула (частичное растормаживание) Калибровка

ЮмВ, 1 с

Детальное изучение внутриклеточных механизмов привыкания и ассоциативного обучения предполагает использование нейронов, позволяющих не только вводить в них микроэлектроды, но и локально апплицировать биологически активные вещества. Для проверки гипотезы о внутриклеточном механизме обучения важно по-

лучать изолированные нейроны. Всем этим условиям удовлетворяют гигантские нейроны моллюсков. В поведенческих опытах было показано, что у моллюсков можно выработать как привыкание, так и более сложные формы обучения. Однако, прежде чем описывать пластические изменения в идентифицированных нейронах моллюска, необходимо рассмотреть некоторые общие закономерности их развития.

Селективность привыкания. Наличие двух пейсмекерных потенциалов, каждый из которых запускает свой независимый ПД фиксированной амплитуды и следовой гиперполяризации, позволяет изучить степень селективности развития привыкания. Повторение применения деполяризующего тока постепенно перестает вызывать реакцию одного пеисмекерного локуса, но продолжает увеличивать частоту другого пеисмекерного потенциала и связанного с ним ПД.

Следует обратить внимание на то, что степень адаптации при непрерывном раздражении не коррелирует со скоростью развития привыкания. Сильная адаптация в одном локусе может сопровождаться слабым привыканием к току. Наоборот, локус со слабо выраженной адаптацией при многократном повторении раздражений может давать эффективное привыкание к внутриклеточному раздражению. Таким образом, локальность адаптации может не совпадать с локальными процессами, ответственными за привыкание. Развитие привыкания в одном из локусов может определяться: 1) выработкой компенсации сдвига мембранного потенциала с постстимульной гиперполяризацией; 2) выработкой локального изменения плотности тока в одном из пейсмекерных локусов; 3) локальной компенсацией действующего тока с торможением пейсмекерной активности, но без сдвига мембранного потенциала. Перерыв, введенный между стимулами, приводит к тому, что реакция восстанавливается и требуется повторение раздражений, чтобы опять получить привыкание. Нанесение более сильного стимула не только само вызывает реакцию, но и приводит к локальному восстановлению реакции на более слабый раздражитель, который ранее использовался в опыте для угашения реакций. Последнее обстоятельство имеет особое значение как воспроизведение эффекта «рас-тормаживания», характерного для поведенческого привыкания. Действительно, при развитии утомления, сенсорной адаптации или десенситизацни более сильный раздражитель лишь подавляет действие более слабого Для проверки селективности привыкания используется применение тока противоположного знака — изменение направления тока не только вызывает реакцию в локусе, подверга-

Нейрофизиология Клеточные основы обучения

7 Механизмы научения

АХ С

ющемся действию многократного раздражения, но и восстанавливает реакцию на ток того знака, который применяли в основном опыте по привыканию. Таким образом, смена направления тока также вызывает растормаживание.

Многократное повторение гиперполяризующих импульсов тока приводит к тому, что величина реакции, заключающейся в подавлении пейсмекерной активности, постепенно уменьшается. Привыкание к гиперполяризующему току развивается преимущественно в одном из пейсмекерных локусов. Это также характеризует селективность в развитии привыкания. Нанесение более сильного раздражителя, однократная замена тока по знаку — все это вызывает растормаживание, как и в случае деполяризующего тока.

Для изучения взаимодействия ПСП и пейсмекерных потенциалов можно имитировать ВПСП и ТПСП при помощи импульсов тока, поскольку в этом случае сопротивление мембраны остается постоянным. Регулярные импульсы тока, подаваемые через введенный в клетку микроэлектрод, вызывают сдвиг мембранного потенциала, регистрируемый вторым внутриклеточным микроэлектродом.

Наиболее простой формой взаимодействия постсинаптических потенциалов (ПСП) с пейсмекерным потенциалом является случай, когда происходит линейная суммация пейсмекерного потенциала с вызванным сдвигом мембранного потенциала, имитирующего ПСП. В чистом виде такая суммация может наблюдаться в том случае, когда генерация ПД выключена.

Функция постсинаптических структур в процессах обучения и памяти с наибольшей наглядностью проявлялась в опытах на полностью изолированных нейронах — ввиду особенностей данной биологической модели все пластические изменения связаны только с соматическим отделом нейрона и часть из них имеет эндонейрональную локализацию. Например, в опытах на изолированных клетках работа синапса моделируется при помощи микроионофоретически наносимого в хе-мочувствительные участки мембраны нейромедиатора. Повторное нанесение медиатора в один и тот же локус может приводить к развитию десенситизации (постепенной потере чувствительности мембраны к действующему нейромедиатору) или сенситизации (повышению чувствительности к нейромедиатору) (рис. 7, а). Удивительно, что хемо-чувствительные локусы мембраны одного и того же нейрона могут демонстрировать разнонаправленные изменения при повторных применениях медиаторов (рис. 7, б). Еще более удивительно, что такие изменения могут развиваться независимо одно от другого при одновременной (несинхронизированной) стимуляции сразу двух локусов (рис. 7, в).

АХ С АХ

АХ С

Рис 7 Пластичность ответов на нейромедиаторы ацетилхолин (АХ) и серотонин (С), апплицируемые к изолированной соме идентифицированного нейрона ЛПа2 виноградной улитки а — развитие десенситизации при повторных предъявлениях АХ, б — сенси-тизация при повторных действиях С, в — развитие десенситизации и сенситизации при одновременном проведении стимуляции АХ и С Калибровка' 10 мВ, 1 с

Многообразие следовых эффектов, обнаруживаемых в опытах на полностью изолированных нервных клетках, простота формирования ассоциативных связей между действующими нейрохимическими и электрическими воздействиями, поступающими на нейрон в опытах, моделирующих различные ситуации обучения, демонстрируют исключительно высокую степень пластичности, потенциально заложенную в каждую нервную клетку. По-видимому, в дальнейшем, вступая в нейронные связи, создаваемые мозгом по определенным критериям, нейроны реализуют тот пластический потенциал, который они изначально имели до формирования системы.

Два возможных механизма постсинаптической пластичности. Опыты с ионофоретической аппликацией АХ на соматическую мембрану нейрона приводят к представлению о двух механизмах постсинаптической пластичности. Проявлением первого механизма является постсинаптическое изменение чувствительности рецепторов мембраны. Второй механизм проявляется в ослаблении действия вызванного медиатором синаптического ВПСП на пейсмекерную активность.

Чрезвычайно интересным представляется тот факт, что изменение частоты генерации пейсмекерных ПД и смещение уровня МП при привыкании и фасилитации к микроаппликации медиатора могут протекать относительно независимо Это свидетельствует о том, что, по-видимому, в основе привыкания пейсмекерных ПД к постоянным сдвигам МП лежит особый механизм, отличный от десенситизации. Возможно, оно происходит за счет уменьшения влияний вызванного АХ ионного тока на пейсмекерный локус, как это имеет место при внутриклеточной инъекции ионов. Особый эффект аппликации АХ

Г пава I Нейрофизиология Клеточные основы обучения

7 Механизмы научения

состоит в ускорении или замедлении пейсмекерных ПД без сдвига МП нейрона. В связи со случаями подавления или усиления пейсме-керной активности без признаков изменения МП при прямом воздействии АХ на мембрану сомы, аналогичными действию «ускоряющих» или «замедляющих» синапсов, возникает предположение об особой чувствительности пейсмекерного локуса к медиатору.

Химическая чувствительность сомы нейрона к медиатору имеет существенное биологическое значение. Ученые считают, что кроме обычной синаптической передачи существует экстрасинаптическая реализация медиатора, не опосредованная специфической анатомической организацией. Очевидно, в этом случае передатчик, диффундируя в межклеточное пространство и действуя прямо на сому нейрона, снабженную адекватными хеморецепторами, тем самым модулирует нейронную активность. Исходя из этой гипотезы, нельзя исключить возможность прямого нейрогуморального влияния на пейсмекерный локус и в естественных условиях. Таким образом, реакции, полученные в этих опытах, являются не только аналогами синаптических ответов, но, возможно, отражают и естественную для них форму передачи возбуждения экстрасинаптическим путем.

Jo_

Важным фактом, заставляющим связывать пластические изменения с деятельностью постсинаптических структур, являются изменения, развивающиеся при повторных предъявлениях внутриклеточных импульсов тока. Из наших экспериментов следует, что пластические изменения при микроаппликации АХ могут быть аналогичны полученным при внутриклеточной стимуляции и развиваться при постоянной чувствительности хеморецепторов мембраны. Механизмы привыкания при инъекции ионов и аппликации АХ оказываются связанными с пейсмекерным потенциалом. Привыкание и фасилитация в звене пейсмекерного механизма могут развиваться и без сдвига МП. Эти формы привыкания и фасилитации также отличаются от явлений сенситизации и десенситизации рецепторов, при которых наблюдается уменьшение и полное исчезновение вызванных медиатором сдвигов МП (рис. 8).

_h_

(г)

(а)

(б)

(e)

(д)

Рис 8 Изменение амплитуды ПД при повторении деполяризационного стимула силой 0,35 мВ, длительностью 1 с (а — д) Стимул предъявляется с частотой 1 раз в 15 е — восстановление амплитуды ПД через 1 мин перерыва в предъявлении стимулов

Калибровка 10 мВ 1с.

Факты, свидетельствующие о селективном угасании реакций в разных участках соматической мембраны, доказывают, чтр нейрон привыкает к раздражителю не как единое целое, а как сложная система гетерогенных локусов, которые могут изменять свою реакцию на раздражитель независимо друг от друга.

7.3. Пластичность нейронов

Классические условные рефлексы первым описал в начале XX в. И.П. Павлов. При классическом условном рефлексе исходно неэффективный раздражитель, называемый условным (точнее его следовало бы назвать раздражителем, который должен стать условным), повторно сочетается с высокоэффективным раздражителем, называемым безусловным. Вначале условный раздражитель вызывает лишь слабый ответ или не вызывает вообще никакого ответа; безусловный раздражитель провоцирует бурную реакцию без какого бы то ни было предварительного обучения. В результате выработки условного рефлекса (обучения) условный раздражитель приобретает способность вызывать либо более сильный, либо новый ответ. Для того, чтобы образовалась условная связь, произошло обучение, условный раздражитель должен коррелировать с безусловным, предшествуя ему на некоторый критический промежуток времени. Считается, что в результате животное обучается определять причинно-следственные отношения между двумя раздражителями.

7.3.1. Ассоциативное обучение

Характерной чертой привыкания как стимул-зависимого обучения является то, что селективный процесс определяется параметрами подаваемого стимула. Основной признак ассоциативного обучения заключается в следующем: стимул, вместо свойственной ему реакции начинает вызывать другую реакцию, ему несвойственную. Это особенно наглядно, когда в качестве условного раздражителя исследуется стимул, сам вызывающий специфическую реакцию. Так, болевой раздражитель, вызывающий обычно агрессивную реакцию собаки, при сочетании с подачей пищи становится условным сигналом пищевого поведения и вызывает весь комплекс пищевых реакций, включая выделение слюны.

Таким образом, ассоциативное обучение характеризуется тем, что сигнал изменяет свое действие под влиянием последующего приспособительного эффекта. Такое обучение является эффект-зависимым. Существуют две формы ассоциативного эффект-зависимого обучения: классический павловский условный рефлекс и инструменталь-

I лава I Нейрофизиология Клсючиыс основы обучения

7 Механизмы научения

ный условный рефлекс. В классическом павловском рефлексе безусловное подкрепление подается за условным сигналом независимо от того, как реагирует на этот сигнал животное. Инструментальный условный рефлекс состоит не в воспроизведении безусловной реакции, а в реализации такой реакции, которая позволяет достичь или избежать последующего безусловного раздражителя Хотя с точки зрения процедуры эти рефлексы различны, их механизмы являются общими. Это позволяет рассматривать классический павловский условный рефлекс в качестве основной формы ассоциативного обучения.

Обучение второго порядка. Еще в 1927 г. И.П. Павловым был описан феномен обучения, который состоит в том, что ранее индифферентный стимул после процесса обусловливания сам становится способным выполнять функцию подкрепления. Такое обучение получило название обусловливания второго порядка. Ранее индифферентный стимул становится подкреплением при ассоциативном обучении во время его сочетаний с нейтральными стимулами. Предполагалось, что законы обучения для рефлексов высшего порядка такие же, как и для простых условных рефлексов. Это направление исследований процессов обучения получило значительное развитие в работах зарубежных исследователей. В частности, анализировалось влияние блокирования прекондиционирования безусловного ответа. По-видимому, в ближайшем будущем появятся прямые нейрофизиологические факты, объясняющие механизмы развития этой исключительно важной формы ассоциативного обучения.

7.3.2. Клеточные механизмы ассоциативного обучения

В основе нейрофизиологических исследований механизмов формирования ассоциативной связи лежит принцип конвергентного замыкания. Идея о конвергенции гетерогенных стимулов как принципе установления условного рефлекса была выдвинута Дж. Экклзом (1968). Он предположил существование центра конвергенции, который не имеет определенной локализации. На нейронах, входящих в состав этого центра, встречались условный и безусловный стимулы. На основе конвергенции на таком нейроне происходит формирование пространственно-временной структуры, которая затем передается на нейроны нижележащего уровня. Кратковременность эффектов пост-активационной потенциации преодолевается свойствами нейронной цепи, которая способна много раз воспроизводить единичное событие при активации одного из звеньев этой цепи Впоследствии идея Эккл-за была более детально разработана А. Фессаром, который принцип конвергенции гетерогенных стимулов дополнил представлениями о

следовых процессах и их функциях в организации механизмов замыкания. Основу формирования следовых эффектов состарляли явления типа поеттетанической потенциации.

На иной основе построена концепция конвергентного замыкания П.К. Анохина (1968, 1974). Сохранив принцип конвергенции стимулов гетерогенных модальностей на уровне нейрона как исходный механизм взаимодействия и интеграции, П.К. Анохин дополнил концепцию некоторыми новыми свойствами, а именно: взаимодействиями сигналов различных сенсорных и биологических модальностей. Особые свойства подкрепляющего фактора определяются специфическими химическими реакциями, которые он вызывает, и соответствующими молекулярными преобразованиями в пределах мембраны и цитоплазмы нейрона. Здесь происходит ассоциация эффектов условной и безусловной стимуляции с последующими выходами сложившейся интеграции на аксон в виде клеточного разряда. Таким образом, местом сцепления двух действующих стимулов оказывается конкретный нейрон, а действие механизма ограничивается мембраной и цитоплазмой этой клетки. Данная теоретическая концепция является основой для проведения исследований механизмов формирования ассоциативного обучения на одном нейроне.

Начало исследованиям механизмов пластичности положено работами по изучению эффектов, связанных с использованием и неиспользованием синапсов и потенциацией моносинаптических спиналь-ных рефлексов, что детально описано в монографии Дж. Экклза (1965). Ответы, которые изменяются под влиянием предшествующей стимуляции, представляют интерес потому, что они могут быть связаны с обучением. В экспериментах на морском моллюске Aplysia было найдено и подробно описано в работе Э. Кендела и В. Спенсера (1968) два типа пластических изменений — поеттетаническая потенциация и гетеросинаптическая фасилитация. Для формирования гетеросинап-тической фасилитации, которая, по-видимому, является прообразом условного ответа, необходимы два синаптических входа.

Впервые экспериментальные работы по изучению нейронных явлений, развивающихся при обучении, были выполнены X. Джаспером и его соавторами (1960). Исследовались условные ответы коры и подкорковых структур. Основной вывод из этих работ заключается в следующем: большая часть нейронов каждой структуры мозга способна к выработке условных ответов на ранее индифферентный раздражитель при его сочетании с действующим на нейрон подкрепляющим стимулом В других экспериментах периферическая стимуляция, неэффективная сама по себе, сопровождалась подкреплением, которое наносили через экстраклеточный регистрирующий микроэлектрод. У позво-

Глава I I кч'фофпзио.югия Клеточные основы обучения

7 Ысхашнмы научения

ночных животных такой способ приводил к формированию условных ответов. Полученные результаты показывают, что в процесс обучения вовлекаются нейроны самых разных отделов мозга позвоночных животных и многих ганглиев ЦНС беспозвоночных.

Поиск нейросубстрата образования ассоциативных связей связан прежде всего с демонстрацией способности нейронов разных структур мозга позвоночных животных формировать специфические связи. Простые виды ассоциаций обнаружены даже на препарате спиналь-ной кошки. Кроме того, есть много данных о способности декортици-рованных животных к формированию ассоциативных связей. Эти результаты показывают, что ассоциативное обучение не является свойством нейронов какой-то одной определенной структуры мозга. Это общее свойство, присущее нейронам всех структур, а может быть и вообще всем нейронам.

Микроэлектродные исследования показали, что формирование ассоциативных связей происходит на всех уровнях мозга млекопитающих животных. Исследованы нейроны коры, ретикулярной формации, лимбических структур, нейроны стриапаллидарной системы, гипоталамуса. Показано, что нейроны релейных ядер слухового анализатора тоже обнаруживают пластические перестройки ответов при обучении. Эти результаты согласуются с представлениями об условном рефлексе как процессе, в котором участвуют все отделы мозга. Определение роли структур мозга в обучении является сложной задачей, решение которой опирается на представления о функциональных системах, принципах конвергенции сигналов на одном нейроне как функции замыкания условной связи.

По данным большинства авторов, от 30 до 60% нейронов различных корковых и подкорковых структур мозга способны формировать условные ответы на ранее неэффективные стимулы и усиливать и изменять исходные ответы по мере сочетаний условного (УС) и безусловного (БС) стимулов, где БС — эффективный биологически значимый стимул.

В работах многих авторов описано увеличение числа полисенсорных нейронов после предъявления ассоциированных УС—Б С. Например, А. Б. Коганом и его коллегами обнаружено, что после сочетания звука с поляризацией нейронов сенсомоторной коры через регистрирующий микроэлектрод мономодальные нейроны становятся полимодальными, неотвечавшие нейроны — полимодальными, тонические реакции на звук превращаются в фазические, изменяется число нейронов, отвечающих на стимуляцию торможением.

Условные реакции нейронов как активирующегося, так и тормозного типа появляются в пределах 10—15 сочетаний и довольно бы-

стро — после 30—50 сочетаний — достигают устойчивости. Такая высокая степень пластичности почти в равной мере присуща клеткам самых разных структур мозга при разнообразных способах выработки условных ответов.

При каждом конкретном условном ответе наиболее существенными для проявления ассоциативного обучения являются нейроны определенных структур. При регистрации мультинейронной активности во время формирования условного ответа было найдено, что в сомато-сенсорной коре ассоциативные ответы появлялись позднее, а в клиновидном ядре вообще не наблюдались.

Отсроченное формирование следа памяти на нейронах позвоночных животных. В опытах на позвоночных животных получены результаты, демонстрирующие отсроченное формирование следового эффекта в ситуации ассоциативного обучения. В работе М.Я. Рабиновича (1975) сообщается, что активационные условные ответы нейронов на время при пропуске раздражений проявляются либо как первичное воспроизведение следовых эффектов при первом пропуске сочетаний, либо как отсроченное воспроизведение, при котором эффективный ответ регистрировался не при первом пропуске, а в последующих, отставленных пропусках. В той же работе имеются сведения о том, что нейроны с тормозными условными ответами не менее точно воспроизводят следовые ответы на время при последовательных пропусках сочетаний. При этом ответы хорошо выражены, начиная уже с первого пропуска и далее.

Клеточные аналоги «реминисценции» — отсроченного формирования следа памяти — были получены и в ряде других экспериментов. Так, на нейронах двигательной коры бодрствующего кролика было показано отсроченное воспроизведение: регистрация внутриклеточной активности нейронов позволила обнаружить, что максимальные ответы на УС возникают через несколько десятков секунд после завершения сочетаний. Эти отсроченные ответы нейронов были более сильными, чем ответы, которые регистрировались непосредственно после прекращения стимуляции, и чем ответы на реально действующие стимулы. Феномен отсроченного обучения подтверждается многими экспериментами, проводимыми на позвоночных животных.

7.3.3. Внутриклеточные механизмы ассоциативного обучения

Как отмечают многие исследователи, обнаружены общие закономерности в развитии обучения у животных, стоящих на разных ступенях эволюции, так как в процессе обучения, по-видимому, реализуют -

6-1015

Глава I Псйрофизиоло! ия Клеючные основы обучения

7 Механизмы научения

ся общие принципы функционирования нервных клеток. Сравнение результатов, полученных на моллюсках и позвоночных животных в ситуации ассоциативного обучения, поможет продемонстрировать эту общность развития процесса обучения.

Исследование условных ответов на уровне поведения моллюсков. Для идентификации механизма, лежащего в основе поведенческого акта, необходим анализ клеточных основ поведения, включая изучение нейронных сетей безусловного и условного рефлексов. Современные исследования по выработке ассоциативных связей для выяснения механизмов, обеспечивающих развитие феномена формирования условного ответа, требуют адекватного объекта исследования: необходимо, чтобы поведенческая феноменология удовлетворяла основным требованиям, предъявляемым к истинным условным ответам, и давала целый ряд разновидностей ассоциативного обучения. Нейроны выбранного объекта должны быть доступны для изучения механизмов формирования ассоциативных связей и проведения опытов по определению их нейрохимических основ.

Многие исследователи склонны видеть такой объект в «простых системах», представленных беспозвоночными животными, в частности моллюсками. Другие авторы подчеркивают различия в строении нервной системы позвоночных и беспозвоночных животных и приходят к выводу о бесполезности такого рода исследований. Тем не менее беспозвоночные, а среди них моллюски, стали занимать центральное положение в нейрофизиологических, нейрохимических и, пожалуй, поведенческих опытах, направленных на изучение механизмов поведения и памяти. Точка зрения об использовании беспозвоночных животных наиболее полно выражена в работе М.Б. Штарка (1978): «Обсуждаемая задача — о связи электрогенеза и синтеза белков при обучении на клеточных моделях — в настоящее время должна решаться с использованием «простых» клеточных систем и прежде всего — ансамблей крупных нейронов беспозвоночных животных.» При этом следует учесть работы, в которых отмечается наличие в таких системах индивидуальных и далеко отстоящих при электрофорезе мозго-специфических белков и показана, в частности, локализация белка S-100. Справедливость этого подхода подтверждается тем, что многие особенности обучения высшего порядка — блокирование, преэкспози-ция и прочие, открытые на позвоночных, обнаружены также в опытах на беспозвоночных. Поэтому возникает возможность применения клеточных механизмов, изученных в опытах на простых системах, к объяснению аналогичных форм обучения высших животных.

Опыты показывают, что долговременная ассоциативная память не является монополией позвоночных животных. Ассоциативное

обучение наблюдается у планарий: после сочетания следующих друг за другом зрительного и вибрационного раздражений и электрического удара, вызывающего сокращение тела, животное начинает отвечать на одно зрительное или вибрационное раздражение. Условный рефлекс не вырабатывается, если условный и безусловный стимулы наносятся в случайном порядке. У одноклеточных, кишечнополостных и низших червей индивидуальная память формируется на основе привыкания, суммационных и простейших условных рефлексов. Истинные условные рефлексы появляются только у высших червей — полихет.

У моллюсков изучение ассоциативных ответов началось давно — первые исследования были выполнены более семидесяти лет назад. За это время появилось множество работ о формировании ассоциативных связей на уровне поведения. Поведение, модифицируемое формированием обучения, у моллюсков очень разнообразно. Есть данные о том, что моллюски способны к прохождению Т-лабиринтов. Очень интересна возможность выработки условного ответа у моллюсков после одного сочетания стимулов. Было обнаружено, что после сочетания пищевого стимула — грибов, которые улитки предпочитают, с действием углекислого газа животные начинают выбирать другие виды пищи. На улитках показан условный рефлекс избегания. Если оптическое щупальце опускалось ниже заданного уровня, то подавался ток. Скоро животное обучалось удерживать щупальце на определенном уровне. После извлечения мозга обученного животного способность этого мозга к обучению и ранее заученный навык на уровне нейронной активности сохраняются. Это дает возможность идентифицировать обученные нейроны и анализировать нейронные аналоги обучения на изолированном мозге.

Простор для изучения синаптических механизмов, составляющих основу образования временных связей, открылся при проведении опытов на крупных идентифицированных нейронах моллюсков. В основном эксперименты выполняются на полуинтактном препарате и препарате изолированной ЦНС моллюсков разных видов: аплизии, виноградной улитки, гермиссенды. Кроме попыток моделировать формирование условного ответа при воздействии электрической стимуляции, наносимой на конкретный исследуемый нейрон через различные нервы, часто используются и природные стимулы. Например, в исследованиях О.А. Максимовой и П.М. Балабана (1983) была изучена возможность выработки условного ответа в естественной ситуации, доступной для электрофизиологических исследований Регистрировалась электрическая внутриклеточная активность идентифицированных нейронов подглоточного комплекса ганглиев и церео-

[ лава I ] [сирофнзиология Клеточные основы обучен

7 Механизмы научения

ральных ганглиев в сочетании с записью объективных показателей двигательной активности. С этой целью в качестве подкрепления (БС) применяли электрический ток, подаваемый через пищу, и электрод, прикасающийся к участку кожи на ноге улитки, условный стимул — пища. Сочетания пищи с током производили 1 раз в 10— 15 мин. Электрическая стимуляция приводила к генерализованной оборонительной реакции, в том числе и к закрыванию дыхальца. Анализ изменений электрической активности идентифицированных нейронов позволил выявить динамику процессов следообразования у командных нейронов пищевого и оборонительного поведения виноградной улитки.

Э. Кендел и Л. Тауц (1965) описали явление, получившее название гетеросинаптической фасилитации (ГСФ), которое изучалось на препарате морского моллюска аплизии в условиях действия ассоциированных стимулов. Это явление рассматривается как аналог условного ответа. Фактически эти работы явились первой попыткой проанализировать формирование ассоциативных связей на уровне синаптичес-ких процессов С тех пор исследования, посвященные изучению нейронных механизмов формирования условных ответов, значительно продвинулись. Имеется не только описание феномена ГСФ, но уже получены данные о внутриклеточных механизмах этой формы обучения.

Ассоциативное обучение изолированных нейронов. В опытах на изолированных нейронах виноградной улитки обнаружены клетки, у которых формирование следа памяти происходит во время ассоциативного обучения, так что после определенного числа сочетаний условного и безусловного стимула формируется энграмма, достигающая уровня актуализации по электрофизиологическим показателям (рис. 9). Количество таких нейронов относительно невелико — менее 15 % от общего числа зарегистрированных в ситуации ассоциативного обучения (687 нейронов). Более 80% клеток продемонстрировали феномен отсроченного обучения — он заключался в том, что во время предъявления ассоциированных стимулов ответ на «условный» стимул или не изменялся или же ухудшался при любой частоте предъявления пары. Особенность заключалась в том, что увеличение ответа на «условный» стимул после обучения развивалось постепенно (рис. 10) Достижение максимальной величины ответа, которая зависит от числа предъявленных сочетаний и от количества проведенных циклов обучения, у разных к теток происходит через разное время. После выполнения первой серии, состоявшей из предъявления 15—20 пар ассоциированных стимулов, время достижения максимальной величины ответа на условный стимул составляло от 5 до 40 мин. Опыты на иден-

тифицированных нейронах показали, что, независимо от вида ассоциируемых стимулов и от особенностей предъявления сочетаний, данный конкретный нейрон всегда обучается по одному и тому же способу — или во время обучения или отсроченно. Это качество является его индивидуальной характеристикой в отношении данного вида обучения (в опытах использовали ассоциации стимулов, адресованных различным структурам клетки — два внутриклеточных деполяризаци-онных стимула, активирующих пейсмекерный механизм или электровозбудимые мембраны, две микроаппликации медиатора или микроаппликацию медиатора в комбинации с электрическим стимулом). По-видимому, в основе этого феномена лежат особенности внутриклеточных процессов, опосредующих ассоциативное обучение, и эти процессы различны по скорости их развития.

Рис 9 Формирование условного ответа при сочетании микроаппликации ацетилхолина (АХ) с электрическим деполяризационным импульсом тока (0,36 нА, 100 мс) а — исходный ответ на микроаппликацию АХ (УС) в локус 1,6 — ответ нейрона на деполяризаци-онный стимул, используемый в качестве подкрепления (БС) Сила тока 0,36 нА, длительность 100 мс, в — сочетание АХ и БС, интервал от начала микроаппликации до начала действия БС 50 мс, частота предъявления сочетаний 1 раз в 2-3 мин, г —ответ нейрона на изолированное предъявление АХ после 8 сочетаний УС-БС, д — ответ нейрона после 12 сочетаний, е — ответ на АХ после 20 сочетаний, ж — ответ нейрона через 5 мин после предъявления 20 сочетаний, з — через 25 мин, и — ответ на микроаппликацию АХ в локус 2 (ответ получен до проведения обучения в локусе 1), к — ответ на АХ после 8 сочетаний УС-БС во второй серии, л —ответ нейрона на АХ в локусе 1 после 20 сочетаний во второй серии, м — ответ на АХ через 30 мин после обучения, н — через 40 мин, о — ответ на АХ в локусе 2 после достижения максимального ответавлокусе 1 (л) Калибровка

ЮмВ, 1 с

Г.ива i

Нейрофизиология. Клеточные основы обу

1С1ШЯ

7 Механизмы научения

Рис 10. Отсроченное обучение на нейроне ЛПаЗ при сочетании микроаппликаций АХ с электрическим деполяризационным стимулом, вызывающим генерацию ПД. а — исходный ответ на микроаппликацию АХ (1), ответ на АХ при повторных микроаппликациях на 10-е и 30-е предъявления Частота микроаппликаций 1 раз в 2-3 мин; б — ответ нейрона при повторных предъявлениях БС с частотой 1 раз в 2-3 мин. Сила стимула 2,5 нА, длительность 100 мс. показан ответ на 1-е и на 30-е предъявления; в — формирование условного ответа при сочетании АХ с электрическим предъявлением Интервал между УС и БС равен 10 мс. 1 — ответ нейрона на первое сочетание УС-БС; 20 — на 20-е предъявление УС-БС, У1 — ответ на АХ через 3 мин после 20 сочетаний; Уг, Уз, У4, Уб, Уб, У? — ответ нейрона через 10,30,40,90,120 и 150 мин после пятой серии сочетаний соответственно.

Калибровка: ЮмВ, 1 с.

Время сохранения следа памяти в состоянии наивысшей активности на изолированных нейронах не слишком велико — так, после выполнения первой серии у клеток, обучающихся во время предъявления ассоциированных стимулов, оно не превышает 20 мин, а у отсро-ченно обучающихся нейронов — 40 мин. Время достижения максимума ответа после выполнения второй и последующих серий обучения изменяется. У нейронов первой группы все события развиваются традиционно — при выполнении каждой следующей серии нужно все меньшее количество ассоциированных стимулов, а время сохранения следа на максимальном уровне актуализации возрастает (после выполнения 2—4 серий оно может достигать 90 мин.). У нейронов же второй группы выполнение каждой следующей серии значительно продлевает время «жизни» следа — после второй серии оно может увеличиться в 2 раза — и, как ни удивительно, увеличивает время достижения максимальной активности следа памяти. Например, если

след после первой серии достигал наиболее высокого уровня актуализации через 10 мин, то после второй или третьей оно увеличивалось до 30—40 мин. Кажется вероятным, что такие характеристики пластичности нейронов могут лежать в основе распределенное™ энграммы по популяции клеток, опосредующих конкретную форму поведения. Воспроизведение следа памяти через разное время после обучения происходит с различных нейронов, отличающихся временными характеристиками достижения максимальной активности, инициированной обучением.

Факты, полученные в опытах на изолированных нейронах, совпадают по существу с данными экспериментов, проведенных на полуин-тактном препарате Helixpomatia. В частности, для командного идентифицированного нейрона ЛПаЗ в этих опытах получили весьма похожие временные параметры актуализации активной энграммы — около 90 мин после выполнения трех серий предъявлений ассоциированных стимулов (в опытах изучали условную пассивно-оборонительную реакцию). Так как на поведенческом уровне этот условный ответ обнаруживается непосредственно после обучения, то, следовательно, он осуществляется ансамблем нервных клеток, в котором не участвует идентифицированный командный нейрон ЛПаЗ (его энграмма актуализируется отсроченно). Это наблюдение заставляет предполагать, что в зависимости от времени, прошедшего после обучения, реализацию следа памяти осуществляют разные по своему составу нейронные ансамбли. Изменение элементов системы обеспечивает функциональную неоднородность энграммы, воспроизводимой через разное время после обучения.

Синапс Хебба. Эффективность одного входа может меняться под влиянием разной степени эффективности последующих возбуждений, поступающих по другим входам на тот же нейрон. С этой точки зрения особый интерес представляют командные нейроны, рецептивное поле которых состоит из широкой пластичной зоны и узкой области высоко стабильных реакций. При повторении действия стимула на пластичную зону рецептивного поля реакция угасает. При нанесении стимула на зону стабильных реакций ответы нейрона устойчиво сохраняются. При комбинации раздражений малоэффективной зоны с раздражениями области эффективных реакций ответы со слабоэффективной зоны усиливаются. Можно предположить, что в пределах одного нейрона неэффективный вход может стать эффективным при сочетании его возбуждения с возбуждением высокоэффективного входа. С этой точки зрения формирование временной связи возможно в отдельном нейроне. Такой тип связи близок гипотетическому синапсу, впервые предложенному Д. Хеббом (1949).

Г.чава I Нейрофизиология Клеючные основы обучения

7 Механизмы научения

Концепции клеточного обучения. Открытие двух различных принципов клеточного обучения (препостсинаптического и премодулирую-щего), каждому из которых присуща ассоциативность, позволяло предположить, что ассоциативные механизмы имплицитного и эксплицитного обучения не нуждаются в сложных нейронных сетях. Способность детектировать ассоциации, возможно, просто отражает какое-то неотъемлемое свойство некоторых клеточных взаимодействий. Полученные данные, кроме того, затрагивают интересный вопрос: связаны ли как-нибудь между собой эти явно различные механизмы? Прежде чем коснуться их возможной взаимосвязи, рассмотрим оба механизма обучения подробнее, начав с премодулирующего механизма, участвующего в выработке классического условного рефлекса у Aplysia.

Л. Тауц и Э. Кендел сформулировали второй принцип ассоциативного обучения. Они обнаружили, что для усиления синаптической связи между двумя нейронами не требуется активности синаптической клетки, если на пресинаптическую клетку действует третий нейрон. Этот третий нейрон, названный модулирующим, повышает выделение нейромедиатора из терминалей (окончаний отростков) преси-наптического нейрона. Л. Тауц и Э. Кендел предположили, что такой механизм приобретет ассоциативность, если потенциалы действия пресинаптической и модулирующей клеток совпадают (премодули-рующий ассоциативный механизм). Впоследствии многие ученые экспериментально подтвердили это предположение. Они наблюдали пре-модулируюший ассоциативный механизм и установили, что пре- и постсинаптический ассоциативный механизм действует в гиппокампе, где используется для различных синаптических перестроек, сущест-. венных для определенных форм обучения.

Благодаря тому что центральная нервная система у Aplysia содержит около 20 тыс. нервных клеток, различные аспекты обучения можно изучать у нее на клеточном уровне. В поведенческий репертуар Aplysia входят несколько простых рефлексов, из которых лучше всего изучено рефлекторное втягивание жабры, служащей органом дыхания. Обычно животное втягивает жабру, когда раздражитель воздействует на противоположную часть тела (например, на мантийный выступ или сифон). И мантийный выступ, и сифон иннервируются собственными популяциями сенсорных нейронов. Каждая из этих популяций прямо контактирует с мотонейронами (двигательными нервными клетками) жабры, а также с различными типами возбудительных и тормозных интернейронов, образующих синапсы с мотонейронами. Исследователи обнаружили, что даже на базе такого простого рефлекса, как втягивание жабры, можно выработать условный рефлекс.

Слабое тактильное раздражение одного нервного пути, например, обслуживающего сифон, можно сочетать с безусловным раздражением (сильным ударом электрическим током) «хвоста». Другой нервный путь, обслуживающий мантийный выступ, можно, таким образом, использовать в качестве контроля. Контрольный нервный путь раздражают столько же раз, но при этом раздражитель не сочетают (т.е. он не ассоциируется) с электрическим раздражением «хвоста». После пяти сочетаний ответ на раздражение сифона (нервного пути, подвергавшегося обучению) становится сильнее, чем ответ на раздражение мантии (нервный путь, не подвергавшийся обучению). Если процедуру изменить на обратную, т.е. в сочетании с ударом током вместо сифона раздражать мантию, ответ на раздражение мантийного выступа вскоре будет превосходить ответ на раздражение сифона. Такое дифференцированное обучение в некоторых аспектах удивительно похоже на то, которое наблюдается у позвоночных.

Для выяснения механизмов образования условного рефлекса внимание сосредоточили на одном его компоненте, а именно на связях между сенсорными нейронами и клетками, служащими мишенью для их проекций — интернейронами и мотонейронами. Стимуляция сенсорных нейронов, связанных с сифоном либо с мантийным выступом, вызывает в интер- и мотонейронах возбудительные синаптические потенциалы. Эти синаптические потенциалы заставляют мотонейроны генерировать разряды, что приводит к быстрому рефлекторному втягиванию жабры. Безусловное подкрепляющее раздражение «хвоста» активирует многие группы клеток, включая те, которые также вызывают движение жабры. В число таких клеток входит по меньшей мере три группы модулирующих нейронов, в одной из которых медиатором служит серотонин.

Тот факт, что модулирующие нейроны влияют на обе популяции сенсорных нейронов — как сифона, так и мантийного выступа, ставит вопрос: каким образом достигается специфическое ассоциативное усиление нервных связей при классическом условном рефлексе? Оказалось, что важную роль здесь играет фактор времени. Чтобы произошло обучение, условный раздражитель должен предшествовать безусловному на некоторый критический интервал времени, который может быть очень маленьким. Для возникновения условного рефлекса втягивания жабры при электрическом раздражении «хвоста» этот промежуток должен составлять около 0,5 с. Если время между действием условного и безусловного раздражителей длинней или короче, или если порядок их следования изменен на обратный, обучение резко ухудшается или же вообще не происходит.

Специфика временных характеристик условного рефлекса втягивания жабры отчасти определяется конвергенцией условного и безус-

Глава I I (ейрофшиология Клеготные основы обуи

7 Механизмы научения

ловного раздражителей на отдельных сенсорных нейронах. Безусловный раздражитель представлен в сенсорных клетках влиянием модулирующих нейронов (особенно тех из них, в которых нейромедиато-ром служит серотонин). Условный разражитель представлен в сенсорных нейронах их собственной активностью. Исследователи обнаружили, что модулирующие нейроны, активированные безусловным раздражением «хвоста», вызывают большее пресинаптическое облегчение сенсорных нейронов, если сенсорные нейроны незадолго до этого генерировали потенциалы действия в ответ на условный раздражитель. Потенциалы действия, возникающие в сенсорных нейронах сразу после электрического раздражения «хвоста», такого эффекта не имеют.

Это свойство пресинаптического облегчения получило название «зависимости от активности». Зависимое от активности облегчение на клеточном уровне требует тех же самых временных отношений, что и обучение — на поведенческом, и, возможно, лежит в основе последнего. Такие данные позволяют думать, что клеточным механизмом классического условного рефлекса втягивания жабры является совершенствование пресинаптического облегчения, т.е. механизм, действующий при сенситизации рефлекса. На основании результатов описанных выше экспериментов первоначально было сделано предположение, что существует некий клеточный «алфавит» обучения, посредством которого механизмы более сложных типов обучения получаются в результате совершенствования или сочетания механизмов обучения более простых типов.

Следующим шагом на пути к разгадке того, каким образом формируются классические условные рефлексы, был бы ответ на вопрос: почему потенциалы действия, возникающие в сенсорных нейронах непосредственно перед безусловным раздражением «хвоста», увеличивают пресинаптическое облегчение? Ранее было найдено, что серотонин, выделившийся из модулирующих нейронов в ответ на электрическую стимуляцию «хвоста», инициирует в сенсорных нейронах ряд биохимических сдвигов. Во-первых, серотонин, будучи первичным мессенджером, связывается с рецептором, активирующим фермент аденилатциклазу. Этот фермент превращает аденозинтрифос-фат (АТФ), который служит в клетке универсальным источником энергии для биохимических процессов, в циклический аденозинмо-нофосфат (цАМФ), который действует внутри клетки в качестве вторичного мессенджера, активируя протеинкиназу (киназы — это ферменты, фосфорилирующие другие белки, т.е. присоединяющие к ним фосфатную группу, в результате чего их активность увеличивается или уменьшается).

Активация протеинкиназы в сенсорных нейронах имеет несколько важных кратковременных последствий. Во-первых, протеинкиназа фосфорплирует белки каналов в клеточной мембране, через которые транспортируются ионы калия. Фосфорилирование этих каналов (или белков, действующих на них) приводит к уменьшению калиевого компонента ионного тока, который обычно реполяризует потенциал действия. Уменьшение калиевого тока продлевает потенциал действия, обеспечивая тем самым большую продолжительность активного состояния кальциевых каналов, что позволяет проникнуть в преси-наптическую терминаль большему количеству кальция. Кальций выполняет в клетке различные функции, в том числе участвует в высвобождении пузырьков с нейромедиатором из терминали. Когда в результате увеличения длительности потенциалов действия в терминаль проникает больше кальция, выделение из нее нейромедиатора увеличивается.

Во-вторых, серотонин, приводя к активации протеинкиназы, способствует мобилизации пузырьков с нейромедиатором из мест их резервных скоплений к тем участкам мембраны, где они изливают свое содержимое из клетки наружу; это облегчает выделение нейромедиатора, не зависящее от притока в клетку кальция. При этом цАМФ действует параллельно с другим вторичным мессенджером — проте-инкиназой С, которая тоже активируется под влиянием серотонина.

Почему при возникновении потенциалов действия в сенсорных нейронах непосредственно перед безусловным раздражением усиливается действие серотонина? Потенциалы действия вызывают в сенсорных нейронах ряд сдвигов. Они позволяют натрию и кальцию поступать в клетку, а калию — выходить из нее и изменяют мембранный потенциал нейрона. Обнаружено, что потенциалы действия имеют критическое значение для феномена зависимости от активности в силу своего влияния на ток кальция внутрь сенсорных нейронов. Оказавшись в клетке, кальций связывает белок кальмодулин, который усиливает активацию аденилатциклазы под действием серотонина. Когда комплекс кальция с кальмодулином связывается с аденилат-циклазой, усиливается образование цАМФ (циклический аденозин-монофосфат). Это свойство аденилатциклазы заставляет рассматривать ее как важный пункт конвергенции сигналов об условном и безусловном раздражителях.

Таким образом, условный и безусловный раздражители представлены внутри клетки конвергенцией двух различных сигналов (кальция и серотонина) на одном и том же ферменте. Интервал в 0,5 с между двумя раздражителями, существенный для возникновения условного рефлекса втягивания жабры, возможно, соответствует време-

1 лапа [ I [еирофизио.югия Клеточные основы обучения

7 Мсханишы научения

ни, в течение которого в пресинаптическои терминали происходят увеличение содержания кальция и его связывание с кальмодулином, в результате чего возрастает активность аденилатциклазы и увеличивается образование цАМФ в ответ на действие серотонина.

Феномен зависимой от активности стимуляции пути цАМФ присущ не только рефлекторному втягиванию жабры и «хвоста» у Aplysia. Как показали генетические исследования, тот же молекулярный механизм свойствен классическому условному рефлексу у плодовой мушки Drosophila. Обнаружены моногенные мутанты, у которых обучение нарушено. В результате мутации у определенного вида мутантов аденилатциклаза утрачивает способность активироваться комплексом кальция с кальмодулином. Исследования показали, что данной формой аденилатциклазы богаты отделы мозга, называемые грибовидными телами, которые имеют критическое значения для некоторых типов ассоциативного обучения. Таким образом, исследования и на клеточном и на генетическом уровнях указывают на огромную важность системы цАМФ как вторичного мессенджера для некоторых простейших форм имплицитного обучения и памяти.

Синаптические изменения, которые, как полагают, лежат в основе описанных форм имплицитного и эксплицитного обучения, создают любопытную возможность редукционистского толка. Тот факт, что для ассоциативных синаптических изменений нет нужды в сложных нейронных сетях, указывает на существование прямого соответствия между этими ассоциативными формами обучения и фундаментальными свойствами клеток Из рассмотренных выше случаев следует, что пластические свойства клеток, по-видимому, определяются свойствами специфических белков, способных реагировать на два независимых сигнала (от условного и безусловного раздражителей). Эти молекулярные ассоциативные механизмы действуют не изолированно. Они осуществляются в клетках, располагающих богатыми молекулярными приспособлениями для совершенствования ассоциативного процесса. Клетки же в свою очередь являются частью сложных нервных сетей со значительными избыточностью, параллелизмом и вычислительными возможностями, что придает этим элементарным механизмам существенную дополнительную сложность.

Рассмотрение возможных механизмов изменений в нервных клетках при обучении остается завершить обсуждением следующих важных вопросов. Каким образом поддерживаются синаптические изменения, вызванные эксплицитным и имплицитным обучением? Как обеспечивается длительное сохранение памяти?

Эксперименты на животных (как Aplysia, так и млекопитающих) свидетельствуют о том, что сохранение результатов эксплицитного и

имплицитного обучения осуществляется стадийно. Первоначальное запоминание информации, представляющее собой форму кратковременной памяти, длится от нескольких минут до нескольких часов и сопровождается изменением силы предсуществующих синаптических связей (за счет описанных выше модификаций, опосредованных вторичными мессенджерами). Долговременные, длящиеся неделями и месяцами, изменения хранятся там же, но для них требуется активация и экспрессия генов, синтез соответствующих белков и рост нервных связей. Обнаружено, что у Aplysia образование долговременных следов памяти при сенситизации и классическом условном рефлексе сопровождается увеличением числа пресинаптических терминален. Сходные анатомические изменения развиваются после долговременной потенциации в гиппокампе.

Если долговременная память вызывает анатомические сдвиги, не означает ли это, что всякое запоминание или забывание информации сопровождается изменением анатомии мозга? До недавних пор нейро-биологи полагали, что представительство разных частей кисти руки в сенсорных областях мозговой коры в течение всей жизни индивида остается неизменным. Однако ученые показали, что корковые карты подвергаются непрерывной модификации, зависящей от эксплуатации сенсорных путей. Поскольку разные люди воспитываются в различных условиях, испытывают воздействие различных сочетаний раздражителей и, очевидно, по-разному применяют сенсорные и моторные навыки, «архитектура» мозга у каждого человека модифицируется по-своему. Такая дифференциальная модификация мозговой «архитектуры» в совокупности с неповторимым генетическим складом данного человека и составляет биологическую основу индивидуальности.

Подтверждением этому могут служить опыты, в которых обезьяну обучали дотрагиваться до вращающегося диска только тремя средними пальцами руки. После нескольких тысяч оборотов диска область представительства этих пальцев в коре расширилась за счет области, соответствующей остальным пальцам. Упражнение может вызывать изменения коркового представительства наиболее деятеть-ных пальцев. Каковы механизмы этих изменений? Как свидетельствуют полученные недавно данные, корковые связи в соматосенсор-ной системе непрерывно модифицируются и корректируются на основе скоррелированной активности с помощью механизма, подобного, по-видимому, тому, который вызывает долговременную потен-циацию. Результаты изучения развития мозга на клеточном уровне позволяют считать, что механизмы обучения дают мозгу некоторые дополнительные выгоды.

1лава 1 Пеирофшио'югия Клею'шые основы об\чсшш

Механизмы научения

Сегодня есть все основания думать, что для тонкой настройки межнейрониых связей на поздних стадиях развития нужен зависимый от активности ассоциативный синаптический механизм наподобие долговременной потенциации. Если то же самое имеет место и на молекулярном уровне, т.е. если у обучения и у процессов развития и роста одинаковые молекулярные механизмы, то исследования обучения помогут соотнести когнитивную психологию с молекулярной биологией. А широкие биологические представления снимут покров тайны с психических процессов и подведут под их изучение прочную базу эволюционной биологии.

7.3.4. Долговременная потенциация

Долговременная потенциация (ДВП) — это сохраняющееся несколько часов (на препарате) или несколько дней и даже недель (на целом организме) увеличение синаптической передачи, вызванное короткой высокочастотной стимуляцией синаптического проводящего путиу или же парной пресинаптической активацией с постсинаптичес-кой деполяризацией. Прямые доказательства способности синапсов мозга изменять эффективность под влиянием повторяющейся стимуляции были получены Т. Блиссом и Т. Ломо (1973). Повторная высокочастотная стимуляция перфорантного пути, который исходит из эн-торинальной коры, является причиной стабильной и долго длящейся эффективности синаптической передачи в дендритах гранулярных клеток зубчатой извилины гиппокампальной фармации. ДВП была идентифицирована в большом количестве областей мозга и предполагается, что это одна из возможных клеточных моделей, лежащих в основе некоторых форм обучения.

Установлено, что ДВП состоит из совокупности многих процессов. Хотя первоначально ДВП наблюдалась in vivo в гиппокампе кролика, впоследствии она была описана и для нейронов гиппокампа на срезах, и оба препарата используются по сей день. ДВП может быть вызвана многими способами, но наиболее распространенной техникой является использование высокочастотной тетанизации (10 залпов по 200 Hz в течение 75 мс при межпачечном интервале 10 с in vivo, или 100 Hz в течение 1 с, повторенная 3 раза с интервалом 20 с in vivo).

Каковы тонкие механизмы, обеспечивающие развитие долговременной потенциации и длительной гетеросинаптической депрессии (LTD)? Глютаматные рецепторы были идентифицированы как важные посредники в парадигмах обучения и памяти, а также как важная часть механизма синаптической пластичности, такой как LTP и LTD. Активация глютаматовых рецепторов оказалась существенной для ин-

дуцирования и поддержания гиппокампальной ДВП ш vivo и in vitro. Это приводит к предположению о том, что гиппокамп играет заметную роль в пространственном, а не в дискриминационном обучении и о том, что глютаматовые рецепторы могут участвовать в процессах передачи пространственной информации через гиппокампальный механизм. Хотя понимание клеточных механизмов нейронной пластичности и фармакологии обучения и памяти существенно продвинулось, все еще не хватает данных о том, чтобы сказать что LTP является субстратом для некоторых форм обучения. Однако кажется разумным утверждение, что найденные механизмы обеспечивает многие, но не все качества обучения при LTP, и было бы интересно в дальнейших исследованиях приблизиться к пониманию неразрешенных проблем.

В нейронауках исследование механизмов обучения и памяти ведется в контексте пластичности. Поэтому многие эксперименты имели своей целью идентификацию пластических изменений, которые происходят в физиологии и анатомии мозга, во время поведенческого обучения и запоминания. Так как пластичность стала доступной для исследований на клеточном и молекулярном уровнях, в настоящее время идентифицировано множество механизмов нейронной пластичности, которые, очевидно, вносят свой вклад в разные формы обучения.

Для многих ученых основным изменением при формировании памяти является развитие новых связей. Эта идея была развита Д. Хеб-бом в теорию клеточных ансамблей (1949), где центральное место занимали пластические модификации, происходящие в местах соединения нейронов. Интересы современных исследователей направлены не только на синапсы, но и на механизмы формирования нейронных систем, и на внутриклеточные процессы, опосредующие все электрофизиологические события, регистрируемые микроэлектродами у живых нервных клеток. Уровень развития методов биохимического и моле-кулярно-генетического анализа в совокупности с тонкими микроэлектродными регистрациями электрической активности нейронов создают исключительно благоприятные возможности для идентификации внутриклеточных превращений веществ, которые и составляют материальную основу памяти.

1 История изучения памяти

Глава II. Психофизиология памяти

История изучения памяти
Теории памяти
Процедурная и декларативная память
Биохимические и молекулярные механизмы памяти

1. История изучения памяти

Память каждого из нас уникальна. Она позволяет нам осбзнавать и собственную индивидуальность, и личности других людей. Лишившись памяти, человек утрачивает свое Я, «перестает существовать». Для науки бесконечно интересны клинические случаи потери памяти. Следы памяти — это живые процессы, которые трансформируются и наполняются новым содержанием всякий раз, когда мы их оживляем.

Трудно сказать точно, где и когда впервые появились первые представления о механизме работы памяти. Известно, что в VI в. до н.э. древнегреческий философ Парменид рассматривал память как смесь света и тьмы, тепла и холода. Забывание есть результат «взбалтывания». Он считал, что если эти состояния не «смешивать», то память будет прекрасной. В конце V - начале IV в. до н.э. Диоген предположил, что память представляет собой процесс, который определяет равномерное распределение воздуха в туловище. Так же как и Парменид, он считал, что забывание — это изменение этого распределения.

Но первым, кто внес реальный вклад в объяснение работы памяти, был Платон (V—IV вв. до н.э.). Его теория известна как гипотеза «восковой доски», в модифицированном и значительно усложненном виде она до сих пор разделяется некоторыми нашими современниками. Платон считал, что память запечатлевает опыт, так же как воск, на котором отпечатываются те предметы, которые с ним соприкасаются. Отпечатки сохраняются до тех пор, пока время не сотрет их, и поверхность вновь не станет чистой. Эта чистая поверхность и рассматривалась Платоном как полное забывание, обратная сторона того же процесса.

Вскоре после Платона философ Зенон (IV—III вв. до н.э.) высказал предположение, что наши ощущения буквально записывают впечатления на «восковой доске». Говоря о разуме и памяти, Зенон не

помещал их в какую-то определенную часть тела или в конкретный
орган. Для него, так же как и для других философов его времени, само
понятие разума было весьма неясным. '

Более двух тысяч лет назад великий философ древности Аристотель (IV в. до н.э.) высказал предположение, что чувства, мысли и память человека заключены в его сердце, а мозг служит лишь для охлаждения крови. Необходимо отметить, что еще до Аристотеля Гиппократ и Кротон (V в. до н.э.) указывали на мозг как на орган «разума», отдавая сердцу роль органа «чувств». Это мнение в течение столетий господствовало в умах людей, и отголоски его сохранились до сих пор. Аристотель первым ввел научную терминологию для описания психических процессов. Он приписывал сердцу все те функции, которые мы теперь приписываем мозгу: раз сердце осуществляет кровоснабжение организма, значит запоминание связано с движением крови. Он предполагал, что забывание есть результат замедления этого процесса. Только в середине XVI в. фламандский ученый Андре-ас Везалий усомнился во взглядах Аристотеля. Везалий утверждал, что мышление и память связаны с работой не сердца, а мозга. Признав мозг «органом» психики, наука не прекращает попыток определить локализацию памяти в мозге. Этой проблеме посвящено множество работ. Но истинным вкладом в изучение процессов запоминания явн-тась концепция «ассоциации идей», выдвинутая Аристотелем и сохранившая свою значимость до наших дней.

Херофилус (III в. до н.э.) ввел понятие «жизненных» и «животных» жидкостей. Он считал, что жизненные жидкости — это жидкости более высокого порядка, сосредоточенные в сердце. Они, в свою очередь, продуцируют низшие животные жидкости, которые определяют функционирование памяти, мозга и нервной системы. Все эти явления он считал вторичными функциями сердца. Интересно отметить, что, по мнению Херофилуса, одна из причин того, что человек является высшим животным, заключается в большом количестве складок мозга. Высказав подобную мысль, Херофилус не дал ей никакого объяснения. Только через две тысячи лет (в XIX в.) была установлена и доказана важность функционирования коры головного мозга.

Древние греки предприняли первые попытки выделить физическую основу процессов запоминания: они попытались создать концепцию и язык для описания этих процессов, была предложена гипотеза «восковой доски», рассматривавшая запоминание и забывание как две составляющие одного процесса.

Большинство римских мыслителей, таких как Цицерон (I в. до н.э.) и Квинтильян (I в. н.э.), полностью разделяя концепцию «восковой доски», не внесли ничего существенного в представление о па-

7-1015

Глава II Психофизиология памяти

История изучения памяти

мяти. Их основной вклад заключался в развитии мнемотехники и систем запоминания.

Дальнейшая эволюция представлений о памяти связана с именем выдающегося врача Галена, жившего во II в. Он выделил и проанализировал функции различных анатомических органов и биологических систем и подробно изучил функционирование нервной системы. Так же как и греки, Гален рассматривал память и психические процессы как проявление действия «животных» жидкостей. Он считал, что эти жидкости вырабатываются в мозгу, и именно там локализуется память. Гален полагал, что воздух всасывается в мозг и здесь смешивается с жизненными жидкостями. Эта смесь растекается по телу, позволяя нам чувствовать, ощущать вкус и т.д.

Эта концепция стала официальной религиозной доктриной, что практически остановило развитие представлений о памяти на последующие 1,5 тыс. лет (вплоть до XVII в.). Даже великий французский мыслитель Р. Декарт (1596—1650) в целом разделял взгляды Галена. Он считал, что животные жидкости текут в мозг от шишковидной железы и, доходя до определенного места, «включают» механизмы памяти. Чем шире каналы, по которым течет жидкость, тем больше жидкости протекает через них. Именно таким образом он объяснял изменение качества запоминания и силы того, что называется следами памяти (след памяти — это физическое изменение в нервной системе, произошедшее в результате обучения; именно этот след позволяет нам запоминать). Еще один великий мыслитель — англичанин Т. Гоббс (1588—1679) разделял эти взгляды. Гоббс во многом соглашался с Аристотелем и отвергал нематериальное объяснение процесса запоминания. Однако он ничего не писал об истинных механизмах памяти и не выдвинул никаких догадок относительно ее размещения.

В целом очевидно, что мыслители XVI в. находились под влиянием взглядов Галена и религиозного учения. Практически все великие мыслители принимали примитивные представления о памяти, сформулированные их предшественниками. Это свидетельствует о том, что, начиная с древних времен, представления о связи психики и мозга развивались в борьбе идеалистических и материалистических точек зрения.

В XVIII в. под влиянием идей И. Ньютона английский философ Д. Гартли (1705—1757) создает вибрационную теорию памяти. Используя концепцию вибрации, разработанную Ньютоном, Гартли предположил, что в мозгу существуют вибрации, возникающие еще до рождения. Новые впечатления меняют характер, место, степень и продолжительность этих вибраций. После влияния новых впечатлений вибрации опять становятся такими, какими были до этого.

Описанные концепции были более сложными и утонченными, чем предшествовавшие им, поскольку они были непосредственно рвязаны с идеями других, бурно развивавшихся наук. Подобное взаимодействие идей сделало возможным возникновение более прогрессивных представлений о памяти в XVIII в. С развитием науки в Германии в XIX в. произошли значительные изменения в представлениях о памяти. Многие идеи, предложенные еще древними греками, были отвергнуты, и на их место пришли представления, почерпнутые из современной биологической науки. Чешский анатом и физиолог Й. Прохаска (1749—1820) окончательно и бесповоротно отверг устаревшую теорию жидкостей, так как она не находила научного подтверждения. Он понимал, что ограниченность знаний делает попытку локализовать память в мозгу чистой спекуляцией. «Подобная локализация возможна,— писал он, — но у нас недостаточно знаний в настоящий момент, чтобы осуществить ее». Согласно концепции Флоренса, память «локализована» во всех частях мозга. Предполагалось, что мозг действует как единое целое и бессмысленно представлять его как взаимодействие отдельных частей. Лишь спустя 50 лет проблема локализации памяти была в какой-то степени разрешена.

В начале нашего века немецкий ученый Г. Эббингауз (1850—1909) начал систематическое изучение явлений научения и построил кривые забывания. Развитию современных представлений о памяти в значительной мере способствовали достижения в технологии и методологии. Однако даже в настоящее время локализация памяти представляет собой очень сложную проблем, так же как и понимание механизмов функционирования памяти.

Современные исследования и теории, посвященные вопросам памяти, в целом могут быть отнесены к трем областям: работы по изучению биохимической природы памяти; теории, в соответствии с которыми память не может рассматриваться как целостный процесс, а скорее как ряд подпроцессов; работы по стимуляции мозга. Многие ученые считают, что необходимо прекратить изучение процесса запоминания и сосредоточиться на забывании. Они полагают, что основная проблема памяти заключается именно в том, что мы все постоянно забываем. Эта идея лежит в основе концепции, согласно которой существуют два вида памяти: долговременная и кратковременная. В частности, мы по-разному запоминаем номер телефона, который только что услышали, и свой собственный номер.

Кратковременная память работает в ситуациях, когда информация, попадающая в мозг, не перекодирована должным образом и потому легко забывается. В долговременной памяти информация перекодируется соответствующим образом, систематизирована, и потому может храниться годами, если не всю жизнь.

100

I лава II Психофизиология памяти

2 Теории памяти

101

Исследования, связанные с прямой стимуляцией мозга, были начаты канадским нейрохирургом У. Пенфилдом (1891—1976). Он проводил операции по отсечению небольших частей мозга с целью избавить пациентов от эпилептических припадков. Перед очередной операцией Пенфилд осуществлял электростимуляцию различных областей мозга, а пациент, находившийся в состоянии бодрствования, должен был сообщать о своих впечатлениях. Когда Пенфилд стимулировал височные отделы коры головного мозга, то пациенты говорили, что перед ними всплывают яркие воспоминания детства. Пенфилд установил, что стимуляция разных областей вызывает различный эффект, но только стимуляция височных долей приводит к возникновению связных и осмысленных воспоминаний. Эти воспоминания часто бывают полными, в том смысле, что в них присутствуют цвета, звуки, движения и эмоциональное отношение к происходящему. Кроме того, оказалось, что кое-что из того, что испытуемый «вспоминал» после стимуляции, было уже забыто им в обычном состоянии. К тому же «стимулируемые» воспоминания были гораздо более четкими и конкретными, чем обычные, которые часто носят обобщенный характер. Пенфилд считал, что наш мозг запоминает абсолютно все, на что мы обращаем внимание, и это запоминание постоянно, хотя в обыденной жизни припоминание по каким-то причинам может быть невозможным Высказывались предположения, что память локализуется в некоторой определенной области мозга. Теперь установлено, что хотя отдельные участки мозга действительно способны оказывать влияние на различные параметры запоминания, тем не менее процессы запоминания и воспроизведения являются продуктом деятельности мозга в целом.

За последние десять лет наши знания о структуре и функциях памяти заметно возросли. Очень велика в этом заслуга психологии, нейрофизиологии, биохимии и педагогики. Однако как ни значительны и многообещающи результаты, полученные в области исследования памяти, остается фактом, что сегодня мы знаем о ней удивительно мало и к тому же многие знания нередко оказываются в действительности лишь гипотезами. Представления, которые сложились в науке о том, что такое память, как она функционирует, каковы ее закономерности, еще очень далеки от завершенности. Поэтому разработка рациональных методов повышения продуктивности памяти связана с существенными трудностями. Работа памяти, ее материальная основа продолжают быть областью неизвестного.

Надо заметить, что даже сейчас исследования памяти находятся на начальной стадии. Каждый месяц публикуется около 80 суатей по этой проблеме, и возможно, что скоро будут сделаны величайшие от-

крытия в этой области. Сложность исследований памяти в том, о чем так образно сказал русский писатель Д. Данин: «...память словно матрешка: развинтишь одну, а в ней другая».

Насколько велик объем нашей памяти, сегодня еще не совсем ясно. Согласно различным оценкам, он составляет от 1 500 000 бит1 до 1021 бит!

Изменения электрических потенциалов нейронов сопровождаются химическими реакциями, в ходе которых образуются новые молекулы, в том числе молекулы РНК (рибонуклеиновая кислота) и белков. Предполагают поэтому, что для объяснения феномена памяти необходимо также учитывать биохимические закономерности, характеризующие построение новых молекулярных структур, при помощи которых, возможно, и кодируется информация. Эксперименты на животных показали, что подавление синтеза РНК затрудняет воспроизведение ими определенных реакций, усвоенных при обучении.

Многие жалуются на плохую память. Но ведь объем и продолжительность запоминания поистине удивительны. Об этом говорят результаты специальных экспериментов, в которых тестируется количество материала, который может быть усвоен с одного раза.

2. Теории памяти

В современной нейронауке проблемы памяти исследуются на разных уровнях — от поведенческого до молекулярного. В данном разделе будут рассмотрены лишь некоторые из них — те, которые оказали наибольшее влияние на развитие экспериментальных исследований в области психофизиологии, нейрофизиологии и биохимии.

2.1. Общие понятия

Обучение — это последовательность сложных процессов, вовлекаемых в приобретение, хранение и воспроизведение информации. В результате обучения происходит модификация поведения, а память проявляется как сохранение этой модификации.

Энграмма — след памяти, сформированный в результате обучения. Описание энграммы может быть выполнено как минимум по трем параметрам: 1) динамике развития процессов, приводящих к становлению следа; 2) параметру состояния энграммы, характеризующему ее готовность к воспроизведению; 3) по устройству энграммы, харак-

1 C)i am л bit oi binary — двоичный и digit — так — двоичная единица измерения количества информации

102

Глава II. Психофизиология памяти

2 Теории памяти

103

теризующему механизмы, лежащие в основе ее создания. Эти три разных аспекта описания энграммы составляют основу трех направлений в изучении памяти. Первое исходит из принципа временной организации памяти и описывает динамику формирования энграммы в терминах кратковременного и долговременного хранения, второе, исключая временной компонент создания энграммы, оценивает степень ее готовности к воспроизведению, третье, анализируя нейронные и молекулярные механизмы памяти, может опираться как на принцип временной организации, так и на концепцию состояния энграммы.

2.2. Временная организация памяти

Идея о персеверации нервных процессов как механизме, лежащем в основе запоминания и воспоминаний, впервые была выдвинута в исследованиях Дж. Мюллера и А. Пильцекера (1900). В опытах по изучению запоминания нескольких рядов слов они обнаружили, что заучивание компонентов последующего ряда слов ухудшает запоминание предыдущего. Такое тормозящее влияние одного обучения на другое они объясняли нарушением персеверации процессов, которые развились во время заучивания слов нового ряда, так как после обучения нервные процессы, составляющие его физиологический механизм, не прекращаются сразу, а в течение некоторого времени продолжаются, или персеверируют. Постепенно сила персеверации ослабевает, и она прекращается. Во время персевераций происходит закрепление ассоциативных связей, возникших в результате обучения. Дж. Мюллер и А. Пильцекер применили эту идею для объяснения ретроактивного торможения, а позже она стала основой гипотезы консолидации следа памяти.

Предполагают, что физиологический механизм существования следа в кратковременной памяти — это реверберация электрической активности по замкнутым цепям нейронов. Для существования реверберации необходимы замкнутые нейронные цепи. Принципиальная возможность такого нейроанатомического образования была продемонстрирована в исследованиях Л. де Но, в окончательном виде, с учетом нейрофизиологических данных, гипотеза консолидации следа памяти была сформулирована Д. Хеббом (1949). Согласно его представлению, стимулы, действующие в определенной ситуации, возбуждают соответствующие им клетки, которые выполняют функцию нейронных «представителей» внешних условий в центральной нервной системе. Если полученный сигнал больше не повторяется, то постепенно возбуждение, вызванное его первым предъявлением, исчезает.

При многократном действии одного и того же стимула происходит формирование «клеточного ансамбля», отражающего определенные свойства сигнала. «Ансамбль» образован из элементов, составляющих замкнутую нейронную цепь. По цепи реверберирует возбуждение, вызванное многократным действием стимула. Продолжаясь определенное время, реверберация электрических импульсов приводит к изменениям нервных структур. Происшедшие в синансах морфофункциональные изменения составляют основу долговременной памяти. Предполагается, что многократное использование одних и тех же синаптических контактов не только улучшает проведение импульсов, но и приводит к формированию специфических белков, адекватных данному виду стимуляции. В дальнейшем исследователи уточнили основные положения гипотезы консолидации следа памяти, согласно которой существование следа памяти в виде реверберирующих электрических импульсов является необходимым условием перевода энграммы в устойчивую форму, которая может сохраняться в течение длительного времени. Из этого предположения следует, что прерывание или предотвращение реверберации должно приводить к физическому разрушению следа памяти и его исчезновению.

Временная организация следа подразумевает последовательность развития во времени качественно разных процессов, приводящих к фиксации приобретенного опыта. Основные понятия, которыми оперирует теория консолидации и другие теории, созданные в рамках концепции временной организации памяти, следующие: консолидация — процесс, приводящий к физическому закреплению энграммы; реверберация — механизм консолидации, основанный на многократном пробегании нервных импульсов по замкнутым цепям нейронов; длительность консолидации — интервал времени, необходимый для перехода следа из кратковременного хранения, в котором он находится в виде реверберирующей импульсной активности, в долговременное, обеспечивающее длительное существование энграммы.

Основными в концепции временной организации являются понятия о кратковременной и долговременной памяти. Подразумевается, что при фиксации происходит смена одной формы существования энграммы на другую. Представления о кратковременной и долговременной форме существования следа базируется на предположении о разных нейрофизиологических, молекулярных, биохимических, мор-фофункциональных основах энграммы на разных стадиях ее жизни. Центральной проблемой в концепции временной организации памяти является определение длительности периода консолидации энграммы, числа этапов становления энграммы.

104

1 пана II Психофизиология памяш

2 Теории нами in

105

Предположение о двух этапах формирования энграммы в течение длительного времени определяло развитие экспериментальных исследований механизмов памяти. Животное обучали, а затем наносили раздражение, прерывающее реверберацию. Через определенное время производили повторное обучение, которое показывало степень сохранения навыка. Раздражение, вызывающее нарушение памяти, получило название амнестический агент, а само нарушение — экспериментальная ретроградная амнезия.

2.2.1. Амнестические воздействия

Основной метод исследования временной организации памяти заключается в искусственном воздействии на один из предполагаемых этапов становления энграммы, поэтому такое широкое применение получил метод экспериментальной ретроградной амнезии. Экспериментальная ретроградная амнезия вызывается самыми разными воздействиями. Прошло почти пятьдесят лет с тех пор как С. Дункан (1949) и Р. Джерард (1963) впервые сообщили о том, что электросудорожный шок влияет на хранение недавно приобретенного опыта. С тех пор накопленные данные не оставляют сомнения в том, что не только электрошок, приводящий к драматическим последствиям, но и электрическая стимуляция весьма малой интенсивности может влиять на память. Многочисленные экспериментальные данные показывают, что электрическая стимуляция может и усиливать, и прерывать хранение следа.

В качестве амнестических агентов применяют различные вещества, влияющие на синтез протеинов — пуромицин, актиномицин-Д, ацетоксициклогексимид; антихолинестеразные препараты: диизопро-пилфлюорофосфат, физостигмин, снижающие степень распада аце-тилхолина; антихолинергические вещества, блокирующие холиноре-цепторы — скополамин, амизил, атропин; большие дозы эфира, транквилизаторов, стрихнина, различные наркотизирующие средства; газовые смеси, содержащие в большом количестве углекислый газ, азот, хлор; используют действие на мозг низких температур; интракрани-альное введение раствора хлористого кальция; распространяющуюся депрессию, вызванную наложением на кору мозга алюминиевой пасты, давлением или поляризацией электрическим током. Одним из наиболее часто применяемых амнестических агентов является электрошок. Электрошок — это сильное электрическое раздражение переменным током частотой 50—60 Гц, сила которого в десятки раз превышает ту, которая применяется в нейрофизиологических исследованиях для стимуляции мозга.

2.2.2. Виды обучения животных

Почти во всех исследованиях для изучения процессов памяти методом экспериментальной ретроградной амнезии животных обучают решению задачи на избегание опасности. Функцию опасного (болевого или неприятного) стимула обычно выполняет электрическое раздражение — более слабое, чем электрошок, но достаточное для получения отрицательного ощущения. Электрический ток, не вызывающий боли, оказывается неэффективным для обучения.

Для экспериментов по изучению памяти выбор формы поведения, мотивированной страхом, имеет особые причины: существенную роль играет скорость реализации двигательной реакции, направленной на уход от отрицательного (болевого или неприятного) стимула, а также скорость обучения.

Имеется две основных формы поведения избегания болевых стимулов — активная и пассивная. Обе мотивированы страхом, но отличаются способом ухода от «угрожающего» стимула. В ситуации пассивного избегания животное подавляет естественную реакцию на определенные свойства внешней среды, например на освещение. Если мышей помещают в большое светлое отделение экспериментальной камеры, то они всегда стремятся быстрее перейти в маленькое темное отделение. Но такое поведение приводит их в соприкосновение с «угрожающим» или неприятным раздражением, вызывающим боль или страх. Возможность избежать действия такого опасного стимула заключается в том, чтобы подавить желаемую форму поведения. При активном избегании животное уходит от опасного стимула — убегает или преодолевает какое-либо препятствие.

В опытах по изучению процессов памяти животных чаще всего обучают поведению пассивного избегания. Экспериментальная камера для проведения опытов разработана М. Джарвик и Р. Коппом (1967) и применяется во многих исследованиях. Она состоит из двух отделений — большого светлого и маленького темного. Между отделениями расположена перегородка с отверстием, через которое крысы, мыши или кошки могут переходить из одного отделения в другое. Но при попытке проникнуть из светлого отделения в темное они получают «наказание» в виде болевого электрического раздражения. После однократного применения «наказания» время нахождения животных в светлом отде пении значительно увеличивается — происходит ооуче-ние. Разновидностью экспериментальной установки является камера, в которой находится платформа высотой в несколько сантиметров и пол, через который пропускается электрический ток. Сила электри-

106

Глава II Психофизисшм ия памя ги

2 Теории памяти

107

ческого тока Достаточна для того, чтобы вызвать болевое ощущение. Животных помещают на платформу, но они, обследуя помещение, перемещаются с платформы на пол и обратно. Внезапно через пол пропускают электрический ток, вызывающий боль. После этого время нахождения животных на платформе увеличивается. Разница между временем пребывания на платформе до действия «наказания» и после его применения или же отношение этих времен служит оценкой обучения.

В экспериментах на крупных животных используют похожую ситуацию. Например, кошек в течение нескольких дней держат на голодном пайке и для получения пищи обучают нажимать па педаль. В одном из опытов, когда кошка прикасается к пище, она получает отрицательное подкрепление — болевое электрическое раздражение. В следующих опытах время от момента помещения животного в камеру до момента нажатия па рычаг увеличивается. Происходит обучение поведению пассивного избегания болевого электрического стимула. Такая форма обучения применяется во многих исследованиях. В ситуации активного избегания болевого или неприятного стимула животное может уйти от него по определенному ходу лабиринта или избежать его действия, преодолев какое-либо препятствие.

Скорость обучения поведению пассивного избегания настолько высока, что при встрече с отрицательным подкреплением у животных сразу формируется ответ, адекватный данной ситуации, сохраняющийся в течение длительного времени. Это создает возможность изучения динамики изменений следа памяти на всех этапах его развития — от кратковременной формы существования до фиксации и перехода в устойчивую энграмму.

Для поведения пассивного избегания характерно то, что животные обучаются правильной реакции после однократного применения «наказания» — болевого или неприятного стимула. Это и есть обучение с одной попытки. Контрольные эксперименты показывают, что навык, приобретенный после однократного действия «наказания», сохраняется в течение нескольких дней, недель и месяцев.

Метод обучения с одной попытки чрезвычайно широко распространен в изучении механизмов памяти. Его использование позволяет снять эффекты суммации, возникающие при многократных тренировках и усложняющие анализ нарушений памяти и изучение ее механизмов.

Значительно реже животных обучают проходить К- или Т-лаби-ринты. В одном из ходов лабиринта применяют болевое подкрепление. Когда животное ведет себя «неправильно» и попадает в этот ход, оно подвергается «наказанию» — действию болевого стимула. Трени-

ровки продолжаются до тех пор, пока не достигается критерий обучения, который заключается в достижении определенного числа правильных реакций животного в нескольких пробах.

Применение лабиринтов позволяет сделать перенос основных результатов, полученных для более простых видов обучения, на его более сложные формы, а также сопоставить факты, полученные в опытах с использованием обучения пассивному избеганию, с результатами опытов, в которых применялись более трудные задачи. Такое сопоставление основных результатов дает возможность изучить свойства памяти, не зависящие от формы обучения.

Кроме поведения активного и пассивного избегания, в экспериментах применяют ситуацию выбора определенного стимула. В некоторых опытах животных не обучают ни одному из видов поведения — их помещают в лабиринт и регистрируют спонтанные выборы направления. В этом случае эффект от действия амнестического электрошока оценивают по изменению числа случайных выборов направления в лабиринте при произвольных перемещениях животного

2.2.3. Амнестическое действие электрошока

Частое использование электрошока в опытах по изучению механизмов памяти объясняется несколькими причинами. Во-первых, параметры электротока легко изменяются, поэтому можно выбрать оптимальную силу электрического раздражения в зависимости от вида используемых животных и от цели поставленной экспериментальной задачи. Во-вторых, длительность электрошока может изменяться в широких пределах — от нескольких миллисекунд до десятков секунд. Возможность изменения силы и длительности электротока имеет важное значение для составления наиболее эффективных сочетаний этих параметров. В-третьих, при использовании электрошока легче определить интервал времени от момента завершения обучения до начала действия амнестического агента — амнестического интервала. Использование других агентов приводило к приблизительному определению этого интервала из-за длительных латентных периодов их действия. Электрошок является наиболее удовлетворительным средством для определения времени консолидации следа памяти, так как результат его действия обнаруживается мгновенно после применения. Исследования, в которых параллельно с нанесением амнестического электрошока производилась регистрация электрической активности мозга, показали, какое большое значение имеет способ предъявления электрического стимула. До недавнего времени были особенно распространены два способа нанесения электрошока- через электроды,

108

] лапа II Психофизиология памяти

2 Теории памяти

109

прикрепляемые к мочке уха животного (транспинеальный электрошок), и через электрод, помещаемый на роговице глаза (транскорне-альный электрошок). Сопоставление эффективности электрошоков, наносимых этими двумя способами, показало, что при равных интен-сивностях и длительностях наиболее эффективен транскорнеальный электрошок. Другая причина заключается в том, что электрошок, примененный этими способами, затрагивает разные мозговые структуры, нарушение деятельности которых неодинаково влияет на процессы памяти.

Основной недостаток транскорнеального и транспинеального электрошоков заключается в том, что невозможно контролировать силу тока, непосредственно воздействующего на мозг. Кроме того, рассмотренные выше способы нанесения электрошока приводят к диффузному затеканию электрического тока на многие мозговые структуры, что делает невозможным анализ роли отдельных образований мозга в развитии ретроградной амнезии. Другими разновидностями нанесения электрошока являются транскраниальный и транскортикальный электрошоки. При транскортикальном электрошоке возможен точный контроль за силой тока, действующего на мозг. Но, так как его действие направлено на многие структуры мозга, не только корковые, по и подкорковые, отсутствие избирательного влияния транскортикального электрошока на мозговые образования ограничивает возможности его применения в изучении процессов памяти.

Выяснение механизмов развития ретроградной амнезии потребовало изучения роли структур мозга в формировании следа памяти. Такие исследования стали возможными только с появлением метода нанесения локальных электрошоков. Локальные электрошоки применяют через электроды, расположенные в определенных структурах головного мозга. Электрораздражения, не выходящие за пределы структуры, позволили найти функциональные «центры», нарушение деятельности которых ведет к ухудшению памяти.

2.2.4. Градиент ретроградной амнезии

Зависимость эффективности модуляции памяти от интервала времени между обучением и применением амнестического агента характеризует градиент ретроградной амнезии. Градиент ретроградной амнезии показывает эффективность данного воздействия по отношению к сохранению энграммы. Было установлено, что интервал времени, в течение которого след памяти уязвим для действия амнестических агентов, меняется в зависимости от условий эксперимента и вида ис-потьзуемого воздействия (при одном п том же виде обучения). Нару-

шение памяти зависит от места приложения стимула, от его интенсивности и от интервала времени, прошедшего после обучения. »

Из исследований градиента ретроградной амнезии можно сделать вывод: эффективность определенного амнестического воздействия изменяется обратно пропорционально интервалу времени, прошедшего от момента применения данного агента, и прямо пропорционально его силе. Каждый параметр амнестического воздействия и каждый вид амнестических агентов демонстрирует наличие «своего» градиента ретроградной амнезии. Поэтому амнестический градиент демонстрирует только уязвимость определенной фазы существования энграммы для качеств влияющего на память воздействия. Результаты опытов показывают множество амнестических градиентов для одной и той же энграммы.

Интервал времени после обучения, в течение которого действие амнестического стимула вызывает ретроградную амнезию, называется временем консолидации. Предполагается, что за пределами этого интервала действие амнестических агентов становится неэффективным, так как след памяти уже зафиксирован и перешел в долговременное хранение. Зависимость степени нарушения памяти от интервала времени между обучением и применением амнестического агента называется амнестическим градиентом. Отметим, что каждый след имеет несколько амнестических градиентов. Каждый градиент зависит от вида стимула, применяемого для прерывания реверберации нервных импульсов. В качестве механизма, обеспечивающего нарушение фиксации энграммы, предполагалась интерференция амнестических стимулов с нервными процессами, составляющими основу ревербернрую-щей активности.

Эксперименты, которые проводились с целью определить время фиксации следа памяти, дали самые разнообразные значения этого интервала. Предполагалось, что переход следа из кратковременного в долговременное хранение осуществляется за несколько секунд. Соответственно момент применения электрошока отставляли от момента завершения обучения на 100—500 мс. Трудность заключалась в том, что необходимо было определить максимально большой интервал времени, при котором электрошок еще вызывает ретроградную амнезию. Поэтому постепенно момент действия электрошока отодвигали от обучения на все большие интервалы времени. В некоторых исследованиях было показано, что применение электрошока даже через несколько часов после обучения оказывается эффективным.

Получены следующие величины времени консолидации энграммы: от 100 мс до 6 час. О. Бурешова и Д. Бурсш установили, что ретроградная амнезия может быть вызвана электрошоком, примененным

но

Глава II Психсх|шзиоло[ия памяти

2 Теории памяти

111

через 24 часа после обучения Если обучение требует многократных попыток, то след памяти оказывается уязвимым в течение нескольких дней. Так, в опытах X. Брауна и других использовалось обучение в лабиринте, и ретроградная амнезия возникала при действии электрошока через 63 дня после обучения, а К. Стоун и А. Бахтиари наносили электрошок через 30 и 70 дней после последней попытки. Тем не менее нарушение памяти еще возникало (Греченко, 1979).

Возникает вопрос, существует ли интервал времени, за пределами которого действие электрошока окажется неэффективным. Исследования показывают, что применение специальных методов дает возможность получения ретроградной амнезии практически через любой интервал времени, прошедшего после обучения. Независимость нарушения памяти от интервала времени между завершением обучения и применением электрошока была продемонстрирована в опытах А. Шнейдера и В. Шермана (1968) при помощи метода реактивации следа памяти Результаты опытов по определению амнестического интервала не могут быть объяснены гипотезой консолидации энграммы. В противном случае отсюда следует, что консолидация следа памяти продолжается: в течение нескольких дней и недель после обучения и практически никогда не заканчивается, что также противоречит положениям гипотезы консолидации.

В исследовании X. Алперна и Дж. Мак-Го (1968) установлено, что длительность амнестического интервала времени зависит от интенсивности применяемого электрошока. Удалось получить два разных амнестических интервала в соответствии с длительностью и интенсивностью применяемого электрошока. Чем больше сила и длительность электрошока, тем больше амнестический интервал времени.

2.2.5. Теории ретроградной амнезии

Многие данные, полученные в опытах методом экспериментальной ретроградной амнезии, были поняты как доказательство того, что электрошок приводит к физическому разрушению следа памяти. Предлагались и другие интерпретации изменения памяти после действия амнестических агентов. В. Кул и Р. Миллер (1970) подчеркивали конфликтный характер ситуации, которая складывалась после применения амнестического электрошока Другие авторы считают, что электрошок вызывает ответ, который является условным к нейтральному стимулу, и этот условный ответ конкурирует с ранее заученным, продуцируя ретроактивное торможение. X Адаме и Д. Льюис (1965) предполагают наличие условного торможения реак-

ции, приобретенной в результате обучения, а Д. Льюис и Б. Майер (1965) — условное торможение, связанное с релаксацией. ,

Высказывалось предположение, что электрошок растормаживает реакцию избегания. Животные должны затормозить свои движения, а амнестический агент «тормозит торможение». Это предположение они подтвердили опытом, в котором для получения пищи животные должны были нажимать на рычаг. Чтобы получить достаточное количество пищи, на рычаг нужно надавить несколько раз. Одну группу животных обучали делать эти движения медленно, а другую — быстро. После действия электрошока скорость нажатий на рычаг значительно возросла у животных первой группы, а у второй группы почти не изменилась. Отсюда был сделан вывод о том, что амнестический эффект зависит от скорости поведенческих реакций. Если операции, выполняемые животными, достаточно быстры, то действие электрошока почти не влияет на скорость их выполнения Если же они совершаются медленно, то электрошок растормаживает их, и это выглядит как «забывание».

Другой гипотезой, пользующейся популярностью, является представление о диссоциированном обучении. Основное предположение следующее если обучение выполняется на определенном функциональном фоне мозга, то правильное воспроизведение навыка, приобретенного в процессе обучения, возможно только на таком же функциональном фоне. В применении к ситуации с экспериментальной ретроградной амнезией предполагается, что электрошок изменяет функциональное состояние мозга. Это новое функциональное состояние сохраняется в течение длительного времени, и тестирование, выполняемое через 24 часа, совершается на фоне нового функционального состояния, и поэтому воспроизведение навыка нарушается. В изменении функционального состояния мозга заключается основная причина нарушения памяти, вызываемая действием амнестических агентов.

2.2.6. Фасилитация памяти электрической стимуляцией

Обычно изменение энграммы при использовании электрической стимуляции мозга или при действии какого-либо другого агента оценивается по ухудшению памяти. Исключение составляют немногочисленные работы, в которых показано, что с течением времени, прошедшего после обучения, повышается точность воспроизведения и уменьшается количество ошибок.

Работы по изучению фасилитирующего влияния электрической стимуляции на память при раздражении определенных областей мозга опираются на представление об исключительной роли нейронов

112

F.iana II Психоф]ииоло1ия памяти

2 Теории нами i и

113

определенных структур мозга в процессах запоминания. Обычно в этих опытах электрическую стимуляцию мозга применяют после обучения. Она приводит к улучшению памяти и подчиняется определенным временным закономерностям: например, установлено, что эффективность фасилитирующего стимула снижается при увеличении интервала времени между моментом завершения обучения и моментом применения электрической стимуляции. Обнаружено, что посттренировочная стимуляция ретикулярной формации среднего мозга улучшает сохранение последнего из недавно приобретенных навыков. Во всех опытах показана зависимость фасилитирующего воздействия от интервала времени между обучением и его применением. Этот факт интерпретирован как доказательство того, что фасилитирующая электростимуляция модулирует зависящие от времени процессы памяти. Фасилитацию памяти получили не только при электрическом раздражении ретикулярной формации среднего мозга, но и при гиппо-кампальной локализации стимулирующих электродов при использовании навыка пробегания лабиринта и активного избегания. Кроме фасилитирующего влияния электрической стимуляции определенных областей мозга, известно аналогичное действие на память некоторых фармакологических препаратов и биологически активных веществ.

Таким образом, результаты экспериментов по изучению фасилитирующего влияния на память показали, что большое значение имеет локализация электродов, через которые подается воздействие, исключительно важное значение имеет сила применяемого воздействия — в некоторых опытах показано, что в зависимости от силы электрического воздействия при одной и той же локализации стимулирующих электродов может развиваться противоположный эффект — ретроградная амнезия. В опытах показана взаимосвязь между физическим состоянием животного и эффектом модулирующего воздействия. В частности, влияние уровня мотивации на эффект модуляции памяти обычно игнорируется, но немногочисленные исследования показывают, что такое взаимодействие оказывается существенной переменной в изменениях памяти.

2.2.7. Стадии фиксации памяти

Гипотеза о двух последовательно развивающихся следах. Согласно данной гипотезе, формирование энграммы осуществляется в два этапа. Первый характеризуется неустойчивой формой следа и существует в течение короткого времени. Это этап кратковременной памяти. Именно на этом этапе след уязвим для действия модулирующих память влияний. Второй этап — переход следа в устойчивое состоя-

ние, которое не изменяется в течение длительного времени — это эгап долговременной памяти. Фиксация энграммы осуществляется при помощи процесса консолидации. Консолидация начинает развиваться во время пребывания следа в фазе кратковременного хранения. Последовательная смена состояний следа является необходимым условием для фиксации энграммы. В завершенном виде гипотеза о двух последовательных этапах формирования следа памяти была сформулирована Д. Хеббом, Р. Джерардом, Дж. Конор-ским. На основе экспериментальных фактов и клинических наблюдений были сформулированы основные положения теории консолидации энграммы:

фиксацию следа памяти обеспечивает процесс консолидации;

след памяти тем устойчивее, чем больший интервал времени
проходит от момента завершения обучения до момента предъявления
амнестического агента;

след памяти можно разрушить, если он еще не консолидировал
ся или консолидировался частично;

прерывание процесса консолидации приводит к физическому
уничтожению энграммы;

разрушенный след памяти не восстанавливается, так как дейст
вие амнестических агентов необратимо.

Гипотеза одного следа и двух процессов. Эта гипотеза была предложена П. Голдом и Дж. Мак-Го (1973). В основе ее лежит предположение о том, что при обучении развиваются два процесса: один — специфический, инициируемый приобретенным опытом, другой — неспецифический. След памяти нестабт ^.н до тех пор, пока неспецифический физиологический ответ на приобретенный опыт не закрепит состояние мозга, которое способствует обучению и хранению следа. Неспецифические явления, сопровождающие обучение и формирование следа, включают изменения уровня бодрствования, уровня определенных гормонов.

Особенностью этой модели является отсутствие независимой кратковременной памяти. Согласно гипотезе, то, что обычно называют кратковременной памятью, является особым случаем существования следа, когда действие неспецифического компонента обучения ослаб-тено или заблокировано. Так как проявление энграммы связано с деятельностью многих структур мозга, то «чистый след» может оказаться за порогом воспроизведения.

Это единственная гипотеза, в которой процесс образования энграммы и ее воспроизведение ставится в зависимость от общего состояния ЦНС. В качестве энграммы в данной гипотезе выступает совокупность явлений, прямо и косвенно участвующих в процессе следо-

8-1015

114

II Психофичиоло! ия памяти

2 Теории памят и

115

образования, а само следообразование рассматривается как специфический процесс, остальные, выполняющие регуляторную функцию, рассматриваются как неспецифические процессы.

Гипотеза о трех последовательных этапах фиксации энграммы. Идентификация стадий памяти при действии различных фармакологических средств и ингибиторов синтеза протеинов привела к предположению о существовании не двух, а трех последовательных этапов в закреплении энграммы. В основе такого «трехкомпонентного» подхода лежат результаты о действии ингибиторов синтеза протеинов через разное время после обучения и предположение о том, что каждая стадия фиксации имеет особое метаболическое обеспечение. Например, опыты показали, что интрацеребральное введение хлористого лития или хлористого калия за 5 мин до обучения вызывает развитие ретроградной амнезии. Если перед обучением вводится оуабаин, то амнезия возникает только через 15 мин после обучения. При применении аце-токсициклогексимида амнезия обнаруживается только через 30 мин после обучения. Был сделан вывод о существовании трех стадий развития энграммы. К аналогичному заключению пришел исследователь Р. Марк на основании результатов экспериментов о влиянии на обучение инъекций оуабаина и этаноловой кислоты (Кругликов, 1994). Это была попытка углубить анализ до уровня тонких метаболических процессов. Очевидно, что количество фаз фиксации определяется специфичностью применяемых воздействий, что доказано в более поздних исследованиях взаимоотношений биохимических процессов, развивающихся при обучении, с динамикой формирования следа памяти.

2.2.8. Кратковременная и долговременная память

Еще одна трудность в развитии концепции временной организации памяти связана с нечеткостью и приблизительностью основных понятий, на которые опирается теоретическая конструкция.

Центральным является понятие о кратковременной и долговременной форме существования следа. Представление о кратковременной и долговременной памяти — общее для всех теорий, опирающихся на концепцию временной организации. Поэтому особенно важно найти критерий для определения принадлежности энграммы к той или иной стадии ее развития. Естественно, что в рамках временного подхода критериями являются «времена жизни» энграммы в определенной форме хранения. Но оказывается, что во временном критерии принадлежности следа к кратковременному или долговременному этапу формирования нет четкости. По мнению одних исследователей, в кратковременной памяти след удерживается от нескольких секунд

до нескольких часов, а в долговременной — от нескольких часов до нескольких дней, после чего переходит в постоянное хранение. Согласно другим представлениям, в кратковременной памяти след находится несколько секунд, а в долговременной — от нескольких секунд до нескольких лет. Основные характеристики кратковременной памяти: 1) кратковременная память является необходимым этапом для перехода следа в долговременную память; 2) содержимое кратковременной памяти быстро угасает, может быть разрушено различными амнестическими воздействиями, легко передается в долговременную память; 3) объем кратковременной памяти ограничен. Долговременная память характеризуется постоянным и неисчерпаемым объемом.

2.2.9. Нейрофизиологические механизмы нарушения памяти

Какие же изменения вызывает электрошок в активности нервных клеток? Как ни удивительно, данных об электрофизиологических последствиях действия электрошока на активность отдельных нервных клеток в научной литературе совсем немного. В основном результаты нейрофизиологических исследований опираются на методы регистрации суммарной электрической активности различных структур головного мозга. Между тем для ответа на многие вопросы стали необходимыми прямые нейрофизиологические данные, полученные при регистрации электрической активности от отдельных нервных клеток. Такие опыты были поставлены на виноградных улитках, нейроны которых доступны для проведения внутриклеточной регистрации в самых необычных условиях эксперимента. Изучалось влияние электрошока на уровне поведения и на уровне электрических процессов, протекающих в нервных клетках. В проведенных опытах электрошок, использовавшийся в качестве амнестического агента, имел величины, сопоставимые с применяющимися в опытах на позвоночных животных. При стимуляции интактных моллюсков он был равен 6—10 мА, при прямом действии на ЦНС —1—3 мА. Установлено, что для нарушения памяти достаточно электрического раздражения меньшей силы. Электрошок, использованный в опытах на моллюсках, немного превышал необходимые значения. Внутриклеточная регистрация электрической активности отдельных нейронов показала ее сильное изменение после применения электрошока. Ретроградная амнезия у моллюсков выразилась в периодах нарушения поведения и динамики привыкания. Повторные предъявления раздражений после действия амнестического агента показывают искажение динамики привыкания. Аналогичные изменения привыкания были обнаружены и на уровне внутриклеточной электрической активности отдельных

116

Глава II Психофизиоло! ня памяти

2 Теории намят

117

нейронов. Переход на клеточный уровень исследования механизмов ретроградной амнезии показал, что в основе нарушения пластических реакций лежит изменение процессов спайкогенерации и чувствительности постсинаптической мембраны к действию медиатора.

Сопоставление длительности нарушений на уровне поведения и нейронной активности показывает, что определенным нарушениям поведения соответствуют изменения электрической активности нейронов. Обнаружены следующие соответствия.

Фаза инактивации поведения и нейронная активность. Период инактивации на уровне поведения интактного моллюска характеризуется полным отсутствием двигательной активности. На нейронном уровне непосредственно после применения электрошока любого вида происходит изменение фоновой электрической активности в виде распада ПД на микрокомпоненты, прекращения генерации ПД и групповой активности нейронов (рис. 11). По длительности эти изменения электрической активности нейронов совпадают с продолжительностью периода инактивации.

Рис 11. Влияние электрошока на потенциалы действия, зарегистрированные от нейронов виноградной улитки на полуинтактном препарате: а — изменение амплитуды и формы ПД после применения электрошока силой 152 нА длительностью 1000 мс, б,в — микроспайки, возникшие после электрошоков силой 150 нА и 143 нА, соответственно.

Калибровка: 10 мВ, 1 с.

Исчезновение чувствительности к действию тактильных стимулов. Исчезновение реакций на уровне поведения соответствует полному подавлению нейронных ответов. Период изменения динамики привыкания совпадает по времени с восстановлением реакции нейронов на тактильные раздражения. В это время происходит усиление нейронной реакции при каждом очередном действии тактильного раздражения. Кроме того, изменение динамики привыкания на уровне поведения связано с ускорением привыкания после восстановления реакций на тактильные стимулы.

Восстановление привыкания. Эксперименты на уровне поведения и на уровне внутриклеточной электроактивности отдельных клеток показали, что через 2—3 часа происходит полное восстановление динамики привыкания. Этому соответствует полное восстановление амплитуды ПД всех нейронов, полное восстановление реакций на тактильные раздражения и динамики привыкания реакций у каждого нейрона.

В результате опытов установлено, что механизмом изменений электрической активности нейронов, развивающихся после применения электрошока, являются нарушения процессов спайкогенерации, функции коммуникации между нейронами и изменение чувствительности постсинаптической мембраны нейронов к действию медиатора. Соответственно механизм нарушения поведения составляют три явления: распад ПД на микрокомпоненты, подавление генерации ПД, депрессия реакций нейронов на действие тактильных стимулов.

Каждой фазе поведения животного соответствует определенный уровень электрической активности нейронов. Когда нейронная активность возвращается к норме, происходит восстановление двигательной активности животных, восстановление чувствительности к действию тактильных стимулов и восстановление динамики привыкания на уровне поведения. Опыты показывают, что воспроизведение следа памяти зависит от состояния процессов электрогенерации отдельных нейронов, опосредующих реализацию данной энграммы.

2.3. Теория состояний энграммы

Действие амнестических агентов не приводит к физическому уничтожению следов памяти. Обнаружены спонтанные восстановления следа, восстановления специально разработанными методами: напоминания, ознакомления, вторично применяемых электрошоков. Показано развитие ретроградной амнезии для «старых», заведомо прошедших период консолидации следов памяти. Новые факты привели к созданию новых представлений о механизмах формирования энграммы.

2.3.1. Восстановление памяти

Спонтанное восстановление памяти. Факты о спонтанном восстановлении памяти после действия амнестического электрошока оыли известны еще в пятидесятые годы. В работе Л. Ворхеля и С. Нарциссо (1950) сообщается о восстановлении навыка после применения электрошока при обучении животных проходить Т-лабиринт. Восста-

118

Глава II Психофизиология памяти

2 Теории намят

119

новление памяти после применения множественных электрошоков было обнаружено и исследовано Дж. Брейди (1951). Через четыре дня после нанесения электрошока была обнаружена ретроградная амнезия, но в следующих проверках, которые выполнялись через 30, 60, 90 дней после обучения, было обнаружено полное восстановление следа памяти. Градуально развивающееся восстановление следа памяти описано и другими учеными. Применив обучение с одной попытки, исследователи наблюдали спонтанное восстановление следа памяти при тестированиях через 3, 48 и 24 часа. Полное восстановление произошло через 48 часов.

Результаты, полученные во многих экспериментах, показывают, что динамика восстановления памяти может быть чрезвычайно сложной. Р. Кинг и Р. Гляссер (1970) проводили тестирования состояния памяти через 24, 48, 72 часа с интервалом в одну, две, четыре и шесть недель Каждая группа животных подвергалась тестированию однократно. Через 48 часов, одну и четыре недели обнаружено восстановление памяти, через 24, 72 часа и две и шесть недель показана ретроградная амнезия.

Восстановление энграммы действием второго электрошока. Исследователи обнаружили восстанавливающее действие вторично предъявленной комбинации «отрицательное подкрепление — электрошок»: если на следующий день после предъявления амнестическо-го агента животному снова дать эту комбинацию, то произойдет восстановление навыка. Восстанавливающий эффект комбинации «отрицательное подкрепление — электрошок» сохраняется даже через две недели после развития ретроградной амнезии. Восстанавливающий эффект вторично предъявленной комбинации является неспецифическим по отношению к виду амнестического агента. М. Нечман и Р. Мейнике (1969) показали, что если в качестве амнестического агента использовать двуокись азота, то ее повторное применение в сочетании с отрицательным подкреплением тоже окажется эффективным для восстановления памяти.

Восстановление памяти методом напоминания. В исследовании Р. Коппенаала, Е.Ягоды и Дж. Круса (1967) впервые применен метод «напоминания». Он заключается в том, что перед тестированием сохранения навыка животным предъявляли электрическое раздражение, сила которого значительно меньше силы «обучающего» раздражения — оно не обладает обучающим эффектом. Восстанавливающее действие «напоминания» не зависит от интервала времени между тестированием и предъявлением «напоминания». «Напоминание» обладает специфическим действием в отношении повторной активации энграммы, сформированной в предыдущем обучении, а затем депрес-

сированной электрошоком. Опыты М. Блека (1969) показали, что обстановка, в которой животное находится после эксперимента, может выполнять роль «напоминания». Результаты опытов других исследователей доказывают, что подкрепление и «напоминание» могут иметь разную физическую природу. Результаты опытов подтверждают, что электрошок переводит энграмму в латентное состояние. «Напоминание» может выполнять функцию стимула, активирующего энграмму.

Восстановление памяти методом «ознакомления». Д. Льюис и соавторы (1968) сообщили еще об одном способе восстановления памяти: если перед обучением животное поместить в экспериментальную камеру и дать возможность свободно передвигаться по ней в течение нескольких минут, то после применения амнестического агента ретроградная амнезия не возникает. Влияние предварительного опыта на устойчивость следа памяти получило название эффекта «ознакомления». Применение метода «ознакомления» в экспериментах, направленных на изучение стабильности следа памяти, оказалось эффективным способом реконструкции энграммы после применения ам-нестических воздействий и дало новые факты, которые не могли получить объяснения с позиций концепции временной организации памяти. Опыты доказали, что существует оптимальное время пребывания животных в экспериментальной камере до обучения.

В экспериментах показана эффективность «ознакомления» для задач, мотивированных страхом и голодом. Применение этого метода привело к сокращению времени от момента завершения обучения до применения амнестического электрошока, чтобы получить ретроградную амнезию. Оно уменьшилось до 200 мс. Но и при столь малом интервале времени предварительное «ознакомление» животных с экспериментальной камерой приводило к предотвращению ретроградной амнезии.

Результаты применения специальных методов восстановления памяти, депрессированной применением амнестических агентов, доказывают, что ни один из известных в настоящее время агентов не может полностью разрушить однажды сформированный след памяти, а причина ретроградной амнезии заключается в нарушении воспроизведения энграммы.

2.3.2. Ретроградная амнезия для реактивированных следов памяти

В исследовании А. Шнейдера и В. Шермана (1968) найдено, что после перехода памяти в долговременное хранение возможно получение ретроградной амнезии. В опыте для экспериментальной группы

120

Глава II Пспхофизлоло! ия памяти

2 Теории памяти

121

животных использовали электрошок, который применяли через 30 с или 500 мс после окончания обучения Если электрошок наносили через 30 с, то нарушение памяти не развивалось, а при его применении через 500 мс возникала ретроградная амнезия. Реактивация следа памяти у первой группы животных производилась следующим способом: сначала животных обучали, а затем через 30 с после обучения предъявляли слабое электрическое раздражение, которым пользовались для обучения. Затем через 500 мс наносили электрошок. Другая группа животных подвергалась процедуре реактивации следа памяти через шесть часов после обучения. Крысам (или мышам) наносили отрицательное подкрепление вне экспериментальной камеры, в которой ранее происходило обучение поведению пассивного избегания. Через 500 мс после этого предъявляли электрошок. При тестировании, выполненном через 24 часа, обнаружили ретроградную амнезию у животных обеих групп. Следовательно, существенным для развития ретроградной амнезии является близость во времени второго отрицательного подкрепления и электрошока, а не прерывание консолидации следа памяти, выработанного шесть часов назад.

Аналогичные результаты получены в исследовании Дж. Мисанина (1968). В опытах интервал времени, через который проводилась реактивация следа, был равен 24 часам. Существенным дополнением к уже имеющимся данным явилось доказательство независимости «реактивирующего» стимула от времени. В любом интервале времени — от нескольких часов до нескольких дней — второй стимул активирует след памяти, а электрошок, примененный на фоне реактивированного следа, вызывает ретроградную амнезию. В исследовании этих авторов электрошок применяли сразу же после реактивации следа, так что интервал времени между реактивирующим стимулом и электрошоком не превышал 200 мс.

При действии амнестического агента на реактивированный след ретроградная амнезия получена не только электрошоком,но и ингибиторами синтеза протеинов — ацетоксициклогексимидом н пуромици-ном. Процедура реактивации следа оказывается эффективной для восстановления памяти у людей.

Эти опыты дали толчек новому направлению исследований, изучающему действие электрошока на вторично активированный след памяти. Были предприняты попытки разработки вопросов о роли реактивации следа памяти в развитии ретроградной амнезии. Фактически целью таких работ является демонстрация потери памяти при действии электрошока на следы, заведомо прошедшие консолидацию. Развитие ретроградной амнезии повторно активированной энграммы было темой многих исследовании. Следы старой памяти, реактивиро-

ванной экспозицией установки, в которой проводилось обучение, также чувствительны к действию амнестического агента. Новая энг-рамма депрессируется только действием сильного амнести-ческого агента. Уязвимость следа памяти определяется уровнем его* активации, а не абсолютным «возрастом».

В более ранних исследованиях основное внимание уделялось интервалу времени между обучением и нанесением электрошока. |Опыты А. Шнейдера и В. Шермана показали, что существенным является время между моментом активации следа памяти и действием |амнестического агента. В этом случае «возраст» следа памяти не [имеет значения, существенно только его состояние в момент применения электрошока. А. Шнейдер и В Шерман предположили, что («оживление» энграммы связано с реакцией активации, вызываемой |действием вторично примененного отрицательного подкрепления. [Если реакция активации прерывается действием электрошока, то [возникает ретроградная амнезия. О связи реакции активации, вызы-|ваемой действием отрицательного подкрепления, с получением рет-'роградной амнезии говорят результаты опытов С. Чоровера и П. Шиллера (1966), в которых производилась регистрация электрической активности головного мозга. Показано, что если реакция активации, вызываемая напоминающим стимулом, слабо выражена, то после применения амнестического агента ретроградная амнезия ь может не развиться.

Опыты с использованием метода реактивации энграммы приводят I к предположению, что след памяти может находиться в двух состоя-I ниях: активном, в котором он может быть использован в данный момент времени, и пассивном, в котором пребывают энграммы, не подготовленные к воспроизведению. Применяя стимул, способный активировать след памяти и тем самым сделать его доступным для воспроиз-| ведения, можно вызвать переход энграммы из пассивного состояния в активное. След памяти уязвим только в активном состоянии. Интервалом уязвимости следа памяти является время, в течение которого поддерживается готовность следа памяти к воспроизведению. Поэтому для амнестических агентов важно состояние энграммы к моменту предъявления электрошока, а не «возраст» энграммы. Предполагается, что энграмма переходит из одного состояния в другое в зависимости от работы механизма, обеспечивающего избирательную активацию следов памяти.

Таким образом, вопрос о величине интервала времени, в течение которого происходит консолидация следа, становится бессмысленным, так как ретроградная амнезия возникает на фоне реакции активации, вызванной «напоминанием».

122

Глава 11 Нсихофиэиолошя памяти

2 Теории памяти

123

2.3.3. Основные положения теории активной памяти

Концепция состояний памяти связывает все модуляции с различиями в готовности к воспроизведению. Основные положения концепции активной памяти заключаются в следующем.

Память выступает как единое свойство, поэтому нет деления ее на кратковременную и долговременную. Временной градиент ухудшения памяти показывает влияние на воспроизведение энграммы. При обучении фиксация памяти происходит сразу (по мере обучения). Динамика обучения отражает и динамику фиксации памяти. Память существует в активной форме, готовой к реализации в данный момент времени, и пассивной — не готовой к непосредственному воспроизведению. Воспроизведение энграммы, извлеченной из активной памяти, может блокироваться применением амнестического агента. В этом причина ретроградной амнезии. Ретроградная амнезия возникает только для энграмм, находящихся в активном состоянии в момент применения амнестического агента. Активная память — совокупность активных энграмм. О состоянии энграммы можно судить только по результатам воспроизведения. Активная энграмма существует на уровне электрической активности нейронов: доказательством являются опыты по ретроградной амнезии — страдает след памяти только что сформированный или реактивированный и потому имеющий электрофизиологический эквивалент.

Организация активной памяти. Вся память рассматривается как постоянная долговременная. Некоторая часть долговременной памяти становится активной в требуемый ситуацией момент времени. Другая ее часть находится в латентном или неактивном состоянии и потому является недоступной для реализации. В зависимости от условий формирования энграммы новые следы памяти могут поступать в активном или неактивном состоянии. Активная энграмма — след памяти, находящийся в состоянии, готовом для реализации на уровне поведения и существующий на уровне электрической активности определенных нервных элементов. Часть энграмм в требуемые ситуацией моменты времени реактивируется и переходит в активное состояние, доступное для актуализации. Реактивация может происходить как спонтанно, так и под влиянием различных внутренних и внешних факторов. О состоянии энграммы можно судить только по результатам тестирования. Активная энграмма выражена электрической активностью нейронов. Это доказывается опытами по ретроградной амнезии — страдает только что сформированный или реактивированный след памяти, имеющий электрофизиологический эквивалент существования.

Долговременная память организована в систему, в которой вновь приобретенный опыт занимает определенное место. Память усиливается и дополняется в течение всей жизни. Если новая энграмма вошла в систему памяти, то для ее актуализации достаточно не только ее непосредственной активации, но и активации через «подсказку». Память проявляется в возможности модифицировать поведение в зависимости от прошлого и настоящего опыта. Всякий раз повторно активированная энграмма отличается от нее самой, воспроизведенной на другом отрезке времени в прошлом.

Концепция состояний памяти свободна от условного деления на кратковременную и долговременную и потому может объяснять феномены, которые остаются непонятными с точки зрения временного подхода к организации памяти. То, что принято называть кратковременной памятью, является активной частью памяти, в которой в определенных ситуациях доминирует вновь приобретенный опыт. Поэтому законы, найденные исследователями для кратковременной памяти, остаются справедливыми, так как они характеризуют вновь приобретенную часть активной памяти.

2.3.4. Активная энграмма и ретроградная амнезия

Для амнестических агентов доступен только след памяти, находящийся в активном состоянии. Активная энграмма выражена определенными нейрофизиологическими явлениями, в частности, паттерни-зированными последовательностями импульсной активности. В опытах на отдельных нейронах показано, что электрошок приводит к нарушениям процессов электрогенеза и потере химической чувствительности, что вызывает нарушение функции коммуникации между нейронами. Обнаружено, что амнестический электрошок не только приводит к дезорганизации паттернизированной электрической активности — он вызывает расщепление потенциала действия на микрокомпоненты, нарушает функциональную целостность электровозбудимой мембраны. Все последствия, возникшие после применения электрошока, являются временными и полностью исчезают через несколько часов. В результате после восстановления нормальной электрической активности нейронов происходит восстановление памяти. После применения амнестических агентов след памяти не воспроизводится, потому что нарушены средства его выражения — электрические процессы определенных нейронов, участвующих в воспроизведении энграммы.

Электрошок влияет только на воспроизведение энграмм, находящихся в активном состоянии и готовых к актуализации. Доказательст-

124

Глава II Психофи smo.ioi ия памяти

2 Теории памяти

125

вом являются эксперименты по развитию ретроградной амнезии для реактивированных памятных следов. Таким образом, причиной развития ретроградной амнезии является не прерывание консолидации, а искажение электрической активности нейронов, опосредующих электрофнзиологическое выражение следа памяти в определенный момент времени. Амнестический агент, примененный к латентной энграмме, не вызывает нарушения памяти.

Еще один факт иллюстрирует соображение о том, что активная энграмма должна иметь адекватное электрофизиологическое выражение, а латентная энграмма такового не имеет. Например, у цыплят, которым перед обучением вводили интракраниально этакрино-вую кислоту или оуабаин, вначале не удалось наблюдать обучение. Однако через 15—30 мин поведение цыплят резко изменилось — они стали вести себя как обученные, ничем не отличаясь от контрольной группы. Следовательно, применение веществ не воспрепятствовало формированию энграммы, но временно блокировало ее воспроизведение, в течение определенного времени след памяти находился в латентном состоянии, так как не имел адекватного электрофизиологического выражения, поскольку использованные в опыте вещества значительно изменяют электрическую активность нейронов. Поэтому можно предположить, что в опыте Р. Марка энграмма была сформирована, но ее актуализация была невозможна из-за нарушений электрической активности нейронов. В основе актуализации следа памяти лежит его существование на уровне электрических процессов.

В ряде исследований, выполненных с использованием регистрации электрической активности головного мозга, продемонстрировано действие электросудорожного шока, приводящего к сильным изменениям регистрируемой суммарной активности и появлению эпилептоидной активности. В некоторых исследованиях определялись возможные изменения суммарной электрической активности мозга в зависимости от параметров примененного амнестического воздействия: силы, длительности, локализации стимулирующих электродов.

Взаимосвязь состояния электрической активности нейронов с развитием ретроградной амнезии подтверждена фактами ее возникновения для генетически закрепленных форм поведения — инстинктов, импринтинга. В этих случаях амнезия также оказывается временной. Следовательно, амнестические агенты, не разрушая молекулярной основы конкретной формы поведения (в данном случае инстинктов и импринтинга), временно блокируют ее воспроизведение.

2.3.5. Уровни существования энграммы ,

Энграмма, имея в своей основе определенный «молекулярный субстрат», актуализируется только при переводе молекулярного кода на уровень электрической активности. Многие факты доказывают возможность функционального разделения этих двух способов существования энграммы: амнестический электрошок, не затрагивая молекулярной базы следа памяти, временно блокирует его воспроизведение, нарушая перевод молекулярного носителя на уровень электрической активности. Опыты по трансформации памяти показывают, что молекулярная составляющая энграммы может передаваться от донора к реципиенту. Например, в экспериментах А. Хандлера и Р. Конопки (1979) производилась пересадка мозга от дрозофилы, имеющей правильный циркадный ритм, «аритмичному» мутанту. Было показано, что при исключении роли прорастания проводящих путей ранее «аритмичная» особь превращалась в дрозофилу с правильно организованной локомоторной активностью, уровень которой определялся изменениями уровня освещенности. Предполагается, что носителем памяти в данном случае могли быть только специфические молекулярные соединения, воздействовавшие на двигательные элементы, которые трансформировали пришедшее воздействие на уровень электрической активности. В результате происходило увеличение или уменьшение локомоций.

Транспорт памяти. Дж. Мак-Коннел и его коллеги (1959) на пла-нариях1 открыли феномен транспорта памяти. Эксперименты заключались в следующем: ученые сочетали воздействие светом (условный раздражитель) с электрораздражением (безусловный раздражитель). После достижения критерия обучения (92% правильных ответов) каждая планария разрезалась пополам, и через 30 дней, после того как каждая из половинок регенерировала до целой особи, у всех животных снова вырабатывался тот же рефлекс. Оказалось, что у всех животных достижение 92%-ного критерия происходило в три раза быстрее, чем до регенерации. Полученные результаты говорили о том, что приобретенный планариями навык кодируется какими-то химическими веществами, находящимися в теле обученного животного. Эффект от применения дифференцированных раздражителей (свет и вибрация) демонстрировал истинность выработанных условных рефлексов. Эти опыты

1 П.чапарпн — плоские черни, обладающие способностью к poi операции, \nioi ими нсследоваюлямп показано, что они \ioi у г обуча i ьс я достаточно столп ым навыкам в юм числе образованию простых ассоциации

126

Глава II Психофизиология памяти

2 Теории памяти

127

открыли новое направление в биологической науке, изучающей основы фундаментальных явлений жизни, среди которых находится и способность живых существ разного уровня эволюции к запоминанию.

Исследователей никогда не оставляла мысль о том, что механизмы генетической, индивидуальной и иммунологической памяти являются общими, что разнообразие форм памяти — это способы проявления одной и той же биологической сущности. Именно поэтому в 60-е гг. в научном мире колоссальный отклик вызвало открытие явления, которое вошло в историю под названием «транспорт памяти». Этот термин включает две группы фактов, имеющих принципиально разное значение: в первую группу входят наблюдения, говорящие о прямом переносе, когда под влиянием инъекции гомогената или экстракта мозга обученного животного-донора животному-реципиенту у него без предварительного обучения появлялся навык. Вторую группу составляют данные о значительном ускорении выработки аналогичного навыка у животных-реципиентов под влиянием гомогената или экстракта мозга обученных животных-доноров. Транспорт памяти связан прежде всего со второй группой фактов.

Опыты Дж. Мак-Коннела заставляли предполагать, что при обучении происходит синтез определенных молекул, которые и являются молекулярными «носителями памяти». Попытки определения природы химических факторов, отвечающих за перенос навыка, начались с опытов, в которых регенерация планарий производилась в растворе рибонуклеазы В этих условиях планарий, регенерировавшие из хвостовой части, полностью утрачивали способность к более быстрому образованию условного рефлекса, в противоположность планариям, регенерировавшим из головного отдела, у которых рефлекс по-прежнему вырабатывался в три раза быстрее. На основании полученных данных было сделано предположение, что передающим химическим фактором является РНК. Однако многочисленные опыты не подтвердили этой идеи, и она сыграла отрицательную роль в первых исследованиях транспорта памяти на позвоночных животных. Но, несмотря на непрекращающуюся критику данных методов обучения, большинство экспериментаторов подтвердили результаты, полученные Дж. Мак-Коннелом, и согласились с его выводами, которые имели большое значение для начала опытов по транспорту памяти у позвоночных и беспозвоночных животных. Положительные результаты по транспорту памяти от обученных животных были получены на разных моделях и в разных лабораториях почти одновременно сразу несколькими группами исследователей.

Дальнейшее развитие исследований было связано со специфичностью проб По мере накопления данных, свидетельствующих о том,

что мозговые экстракты, полученные из мозга тренированных животных, вызывают поведенческие изменения, интересы учецых сконцентрировались на специфичности этих изменений. В ранних экспериментах реципиенты подвергались такому же обучению, как и доноры. Положительным результатом этих проб являлось значительно более быстрое обучение подопытных животных при введении им мозговых экстрактов от обученных доноров по сравнению с контрольными животными, которым вводился экстракт из мозга необученных животных.

Несмотря на то, что происходило ускорение обучения только тому навыку, которому были обучены доноры, явление это часто интерпретировалось как общее облегчение консолидации памяти или как связанное с неспецифическим стрессом, обусловленным обучением. Крыс учили избегать темноты при помощи воздействия на них электрическим током в темном отделении экспериментальной камеры. Для реципиентов после введения им экстракта мозга обученных доноров создавалась та же самая ситуация — темноты и света, но без электрических воздействий. Избегание темноты измерялось временем, проведенным в темном и светлом отделениях камеры. До инъекции животные проводили около 75% времени в темноте После инъекции это время сокращалось в зависимости от количества введенного экстракта. Реципиенты, получавшие экстракт мозга необученных животных, предпочитали темноту. Эти результаты были подтверждены опытами, проведенными в нескольких лабораториях.

Поскольку обучение неминуемо связано с определенным стрессом, были произведены и контрольные эксперименты, в которых доноры подвергались тому же количеству электрических воздействий либо в светлом отделении, либо вообще вне ситуации выбора темноты — света. Экстракты из их мозга не вызывали избегания темноты. В других контрольных опытах производилось перекрестное тестирование двух различных ситуаций избегания, например избегания темноты и избегания спрыгивания с платформочки; реципиенты обнаруживали избегание только в тех же самых ситуациях, что и их доноры. Сходные результаты перекрестного тестирования были получены и в экспериментах с привыканием между животными, получавшими экстракты от доноров, приученных к звуковому раздражителю или к обдуванию воздухом. В опытах Г. Унгара (1977) исследовалась возможность переноса привыкания к сильному звуковому раздражителю. В качестве доноров использовались крысы, а реципиентами служили мыши. Реципиенты достигали 50%-ного уровня привыкания в течение первого дня, в то время как контрольным животным для достижения того же критерия понадобилось 10 дней.

128

Глава II Психофизиочо! ия намят

2 Теории памяти

129

Дальнейшие данные о специфичности были получены в экспериментах с различением цветов золотыми рыбками Этот эксперимент состоял в обучении двух групп золотых рыбок: одну группу обучали избегать голубого отделения аквариума и уплывать в зеленое, другую наоборот — избегать зеленого и предпочитать голубое отделение. Это достигалось электрическими воздействиями, производимыми в том отделении, которого нужно было избегать. Экстракт из мозга обученных рыб, введенный необученным рыбам, вызывал избегание и выбор тех же цветов, какие были выучены донорами.

В опытах применялось обучение разным навыкам. Возможно наиболее специфичной из всех проб являются результаты опытов с обучением в лабиринте. Например, широко использовалась лабиринтная методика, согласно которой крысы должны были выбирать освещенный ход лабиринта, чтобы получшь воду. Критерием обученности служил процент ошибочных реакций. Из мозга обученных животных приготовляли экстракт, который затем вводился в цистерны головного мозга реципиентам. Контрольным животным вводился экстракт необученных крыс. Было установлено значительное увеличение правильных выборов у экспериментальной группы по сравнению с контрольной группой. Использовалась и инструментальная методика обучения. Крысы должны были, реагируя на щелчок кормушки, обнаружить пищу. Критерием передачи навыка служило перемещение реципиента в определенный отсек камеры в течение контрольного времени посте щелчка. Экстракты мозга, взятые у обученных доноров, вводились группам мышей внутрибрюшинно. Затем они тестировались либо в том же лабиринте, в котором обучались их доноры, либо в другом лабиринте. Контрольные мыши получали экстракты мозга необученных доноров. Группа животных, получивших экстракт от обученных особей, обучалась значительно быстрее. Реципиенты показали значимое отличие от контрольных животных. Более того, инъекция экстракта, приготовленного на основе мозга хомяков, обученных по аналогичной методике, крысам-реципиенгам также привела к положительным результатам В этих опытах продемонстрированы прямой перенос навыка и видонеспецифичность передающего агента. Это позволяет предположить наличие в мозговом материале какой-то довольно специфичной информации — не только о вознаграждении в конце лабиринта, но и о наибыстрейшем способе его достижения.

Выделение пептидов, индуцированных обучением. В ряде экспериментов ученые пытались ответить на два главных вопроса: какова химическая природа активных веществ, содержащихся в экстракте мозга обученных животных, и каковы функции, которые они выполняют. Из всех использованных до сих пор подходов только метод био-

проб может пролить свет на эти вопросы. Проверенная временем стратегия, которая привела к открытию многих эндогенных веществ, включала этап демонстрации наличия данного вещества при помощи биопробы, этап выделения и очищения материала под контролем биопробы, этап структурной идентификации активного вещества, синтез и сравнение этого синтезированного продукта с действием природного вещества, содержащегося в экстракте мозга обученных животных. Г. Унгар (1977), основываясь на предыдущих опытах по передаче толерантности к морфину и на интуиции биохимика, предположил, что молекулярным носителем памяти являются белки, а именно олиго-пептиды. Впервые идентифицированный, расшифрованный и синтезированный пептид был назван скотофобином1. Синтетический ско-тофобин успешно прошел испытания, причем эффективность инъекции скотофобина была очевидной, даже если доноры и реципиенты были разных видов. Другие два пептида были выделены из мозга золотых рыбок, обученных различению цветов. Эти пептиды получили название хромодиопсины2. В дальнейшем был идентифицирован, расшифрован, синтезирован и испытан в опытах пептид, кодирующий привыкание к звуковому стимулу. Он был назван амелетином3.

Работы Унгара и его последователей подверглись и подвергаются критике. Разочарование в результатах экспериментов по переносу часто объясняется необоснованными ожиданиями. Поведение, индуцируемое у реципиентов, редко бывает точным повторением поведения, выученного донорами. В большинстве случаев это только бледная копия, связь которой с оригиналом может быть установлена лишь при помощи статистической оценки и при сравнении с соответствующим контрольным экземпляром. Тем не менее полученные данные об олигопептидной природе вещества-переносчика и факт быстрого включения этого вещества в формирование нового навыка у реципиента позволяют говорить о способах транспорта памяти. Однако только дальнейшие исследования, завершающиеся выделением, идентификацией и химическим синтезом веществ, транспортирующих память, смогут окончательно решить вопрос о механизмах этого явления. Исследования феномена транспорта памяти продолжаются и, по-видимому, одна из причин этого в том, что они непосредственно связаны с изучением ее биохимических механизмов.

Ввиду трудности исследования транспорта памяти на сложных моделях наметилась тенденция изучения этой проблемы на относи-

1 Боязнь темноты (греч )

2 Разл ич« i ие цве го в (1 рсч )

3 Безразличный (ipeu)

9-1015

130

Глава II Психофизиология памяти

2 Теории памяти

131

тельно простых моделях обучения, имитирующих экологически адекватные для животного формы обучения. Так, в подтверждение полученных ранее данных о переносе импринтинг-реакции клевания у индюшат на определенную фигуру был получен перенос импринтинг-реакции следования за объектом у цыплят, получивших гомогенат мозга тех цыплят, у которых произошел импринтинг.

Развитие исследований механизмов условных рефлексов и памяти на высших беспозвоночных животных с относительно простой ЦНС и бесспорные успехи в этой области привели ученых к идее использования моллюсков в опытах по транспорту памяти. Животные с простой нервной системой представляют исключительные возможности в отношении проведения биохимических исследований на уровне отдельных нервных клеток. Непосредственная аппликация передающего вещества на клеточную мембрану или внутрь клетки, ответственной за выработку ассоциативного обучения, позволит при использовании соответствующих меток выявить пути включения фактора и изучить механизмы его участия в процессах памяти.

Необходимо четко показать возможность переноса навыка у моллюсков того вида, для которых к настоящему времени разработаны методы изучения механизмов ассоциативного обучения на клеточном уровне (аплизии, гермиссенды, виноградной улитки и др.). Опыты по возможности транспорта памяти у моллюсков были выполнены И.И. Степановым и другими (1985). Использовалась выработка классического условного рефлекса или инструментального. При выработке классического условного рефлекса улитка обучалась не брать определенный вид пищи, которую она ранее охотно употребляла. В качестве подкрепления применяли электрораздражение тела животного, вызывающее умеренную оборонительную реакцию. Рефлексообразо-вание происходило за 3—5 опытов. На разных сроках в ходе обучения у животных производили отбор гемолимфы, которую вводили в цефа-лопедальный синус необученных животных-реципиентов. Оказалось, что эффективность гемолимфы и гомогенатов мозга выявляется на 3—12-е сутки от начала обучения доноров. Гомогенат и гемолимфа были одинаково эффективными.

В качестве итога рассмотрения приведенных работ по транспорту памяти можно сделать следующие выводы.

Роль пептидов как агентов, несущих информацию, несомненно,
выросла за последнее десятилетие. Они, очевидно, принимают учас
тие во многих регуляторных процессах от клеточного до системного
уровней также в поведенческих и физиологических явлениях;
Транспорт памяти, обусловливающий перенос навыка донора
или увеличение скорости его выработки у реципиента, существует. Во

многих экспериментах на позвоночных и беспозвоночных животных показана специфичность этого явления. Получить однозначные ответы исключительно трудно как по причине многофакторности вырабатываемых видов поведения, так и по причине сложности'идентификации и выделения веществ, отвечающих за перенос конкретной информации.

Электрическая активность и воспроизведение следа. Воспроизводимость энграммы при постоянстве ее молекулярного носителя зависит от состояния электрических процессов, которые являются средством актуализации следа памяти. Из рассмотренных примеров действия электрошока и последующего восстановления памяти становится очевидно, что амнестические агенты приводят к ретроградной амнезии благодаря значительным изменениям электрической активности тех элементов, которые опосредуют актуализацию энграммы.

Свойственная памяти динамичность, с которой постоянно сталкиваются исследователи в экспериментах на поведенческом и на нейронном уровнях — от человека до одноклеточных — определяется модификациями электрических процессов, которые обеспечивают актуализацию данной энграммы. Экспериментальные данные о зависимости воспроизведения от уровня бодрствования, мотивации, общего состояния человека и животных имеют в своей основе вариабельность электрической активности.

Консолидация и ее роль в активной памяти. Одно из основных положений теории активной памяти заключается в том, что консолидация следа происходит во время обучения. Оно подтверждается экспериментами с максимально приближенными к моменту завершения обучения электрошоками. В опытах было показано восстановление памяти, следовательно, след успевал зафиксироваться в течение менее 200 мс!

Мы уже рассматривали предположение о том, что консолидация может продолжаться после действия амнестического агента. На основе экспериментальных данных ученые пришли к выводу, что невозможно объяснить явления восстановления памяти неполным прерыванием консолидации. Амнестический агент устраняет всякую возможность протекания консолидации, после действия амнестического агента уже ничего не происходит. Следовательно, фиксация энграммы завершается до применения амнестического агента, процесс консолидации не развернут во времени, как предполагалось в теории, а скорее «свернут». Результаты исследований, связанных с использованием метода экспериментальной ретроградной амнезии, свидетельствуют о том, что след памяти фиксируется очень быстро, со скоростью генерации паттернизированных нейронных разрядов.

132

Глава II. Психофизиология памяти

2. Теории памяти

133

Основные понятия теории активной памяти сформулированы на основе результатов опытов поведенческого уровня, поэтому необходимо ввести некоторые уточнения и дополнения, которые базируются на результатах изучения процессов памяти на уровне регистрации внутриклеточной нейронной активности: консолидация — совокупность биохимических процессов, опосредующих электрические реакции нейрона на определенные воздействия и приводящих к эффекту обучения при контроле по электрофизиологическим показателям. Можно сказать, что активность нейронов, участвующих в обучении, отражает достигнутый уровень биохимических превращений, которые развиваются в процессе обучения и опосредуют электрофизиологическую феноменологию. Электрическая активность нейронов становится лишь средством выражения тех глубоких изменений, которые произошли во время обучения на молекулярном уровне в результате определенных воздействий. С этой позиции консолидация и процесс обучения становятся неразрывно связанными в своем развитии, причем достигнутый уровень обучения при контроле по электрофизиологическим показателям отражает уровень консолидации. Это соображение требует специальных исследований, но в настоящее время уже появляются работы, выполненные на одиночных нейронах, в которых содержатся сведения об изменении метаболизма в процессе обучения, о связи определенных типов клеточной активности с тонкими биохимическими превращениями, развивающимися в нейроне. При попытках подойти к молекулярным механизмам определенного явления, имеющего электрофизиологическое выражение, всегда опираются на предположение о том, что оно опосредуется определенными биохимическими реакциями, пытаются определить механизм регистрируемого нейрофизиологического феномена. Процесс включения этого молекулярного механизма и есть консолидация, а сопутствующий нейрофизиологический феномен — это способ актуализации функционирования данного механизма. Отсюда еще одно определение консолидации: это процесс, предваряющий и опосредующий наблюдаемые нейрофизиологические явления пластичности. Это определение отличается от других тем, что в них под консолидацией понимается нечто, требующее довольно значительной протяженности во времени после обучения. Консолидация завершается к моменту достижения максимального электрофизиологического выражения следа памяти.

Возможно ли такое определение консолидации? Ведь имеется немало данных о том, что развитие определенных биохимических процессов достигает максимума после завершения обучения. Например, работа В.В. Ашапкина и Н.А. Тушмаловой показывает, что при формировании условных ответов у крысы происходит повышение синтеза

ДНК в неокортексе. Индукция синтеза ДНК связана с выработкой условного ответа и первыми часами его хранения. Авторы определили, что повышение синтеза связано с деятельностью нейронов. Индуцированный обучением синтез ДНК в неокортексе избирательно связан с последовательностями ДНК, повторенными в геноме 10—20 раз. Предполагается, что этот синтез связан с активацией экспрессии генов. Обратим внимание на то, что повышение синтеза ДНК происходит во время обучения и после него. Р.И. Салганик и другие ученые (1981) в своих экспериментах, связанных с изучением роли обратной транскрипции в процессах обучения, установили, что повышение уровня содержания РНК-зависимой ДНК-полимеразы (показателя процесса обратной транскрипции) развивается в гиппо-кампе крыс по время обучения и достигает максимума после его завершения. Аналогичные результаты о продолжающемся синтезе определенных белков, достигающем максимума после обучения, сообщают и другие исследователи. Можно предположить, что завершение некоторых «базовых» изменений, составляющих основу для выраженных электрофизиологических модификаций, завершается во время обучения, но процессы, связанные с внедрением нового опыта в индивидуальную память данного нейрона, продолжаются и после завершения обучения на уровне электрофизиологических явлений. Кроме того, можно задать вопрос — а те ли это биохимические реакции, которые определяют наблюдаемый электрофизиологический феномен? Например, Ашапкин и Тушмалова установили, что максимальный уровень синтеза ДНК достигается через несколько часов после обучения, но электрошок, примененный через такое длительное время, уже не вызывает ретроградной амнезии. Аналогично, в опытах Салганика обнаружено, что процесс обратной транскрипции достигает максимума через 40 мин после завершения обучения, но электрошок в это время также теряет свою эффективность. Возможны и другие объяснения этих результатов.

К концу обучения энграмма уже консолидирована. Проблема консолидации в данном контексте исчезает — электрофизиологическая активность развивается как результат процессов интеграции на субмолекулярном и молекулярном уровнях.

2.4. Распределенность энграммы

Опыты с локальными раздражениями мозга показали, что развитие ретроградной амнезии при стимуляции определенной структуры зависит от интервала времени, прошедшего с момента завершения обучения до применения амнестического агента. Стимуляция разных

134

I лава II Психофизиоло!ия памяти

2 Теории памяти

135

участков мозга эффективна для нарушения памяти через разное время. Обнаружено перемещение таких критических точек по структурам мозга и по ядрам одной структуры. Возникает предположение о том, что след памяти через разное время реализуется разными нейронами. «Плавание» энграммы по структурам мозга отражает принцип организации памяти.

2.4.1. Распределенность энграммы по структурам мозга

Исследования, выполненные с использованием электрошоков, вызывающих развитие электрической судорожной активности, показывают сложную динамику перемещений активной энграммы по структурам мозга. Для понимания механизмов формирования следа памяти большое значение имеет локальное электрическое раздражение определенных структур мозга, которое позволяет получить модуляцию памяти при низких интенсивностях электрического раздражения. Действие таких токов затрагивает только активность нейронов, расположенных в непосредственной близости от стимулирующих электродов. Такой метод наиболее перспективен для получения данных о нейро-анатомической локализации энграммы.

Американские психологи Дж. Мак-Го и П. Голд (1976) показали, что эффективность электрического раздражения, применяемого в одну и ту же мозговую структуру, изменяется в зависимости от интервала времени, прошедшего после обучения. Через разное время после обучения критичной для нарушения памяти становится стимуляция разных структур мозга. Было выдвинуто предположение о существовании нейронных систем, обеспечивающих кратковременную и долговременную память. Для идентификации таких нейронных систем были использованы локальные раздражения разных структур головного мозга: ретикулярной формации среднего мозга, гиппокампа, миндалины Стимуляция токами малой силы гиппокампа, миндалины, срединного центра у кошек или хвостатого ядра у крыс прерывает долговременную память для задач пассивного избегания. Раздражение ретикулярной формации связано с кратковременной памятью, хвостатого ядра — с кратковременной и долговременной, миндалины и гиппокампа — с долговременной. Кратковременная и долговременная память развиваются параллельно и обеспечиваются разными нейронными системами. Интересно, что некоторые исследователи относят энграмму в одно и то же время и к кратковременному, и к долговременному хранению.

В опытах с экстирпациями различных участков мозга было показано участие разных областей в кратковременной памяти. Русский

физиолог Е. Мордвинов (1982) заметил, что, хотя наиболее отчетливые и стойкие нарушения поведения животных были, связаны с разрушением префронтального неокортекса, тем не менее эффективными оказались и повреждения таких структур, как хвостатое ядро и другие базальные ядра, гиппокамп, септум, ядра таламуса, височная кора, ретикулярная формация среднего мозга. Использование методов электростимуляции подтвердило эти данные и позволило обнаружить ряд новых фактов, которые принципиально не могли быть получены путем разрушений или охлаждения мозговых образований. Выяснилось, что эффективность изолированного раздражения исследуемой зоны мозга (в смысле ухудшения правильности выполнения животным отсроченной задачи) различна в зависимости от того, в какой момент отсрочки производится раздражение. Нестабильность функциональной значимости одной и той же структуры мозга в различные моменты времени свидетельствует как о динамичности самого мнестического процесса, так и о существовании временного паттерна взаимодействий между отдельными мозговыми областями, определяемого наличием или отсутствием критической необходимости участия данной области мозга в различные моменты реализации мнестического процесса. Эти результаты показывают динамичность следа памяти и меняющееся функциональное значение разных областей мозга для процессов памяти в зависимости от интервала времени после обучения, через который происходит реализация энграммы.

Удаляя определенные участки мозга, исследователи пытались понять, как именно они связаны с процессами обучения и памяти. Результаты следующие: даже при экстирпации значительных участков мозга обучение происходило, а память нарушалась относительно мало. Именно поэтому К. Лешли (1933) пришел к выводу о том, что «памяти нигде нет, но в то же время она всюду». Более тонкие экстирпации, выполняемые в лабораторных условиях на животных и в клинике на мозге человека, дали много фактов о том, что удаление определенных областей мозга специфически влияет как на состояние старых энграмм, так и на способности к приобретению новых.

Можно представить, что след памяти распределен по разным нейронам, находящимся в различных структурах, и его невозможно полностью «изъять». Например, в исследовании У. Пенфилда и А Перо (1969) отмечено, что удаление области коры, при стимуляции которой у людей развивались определенные воспоминания, не отражается на возможности вызывать те же самые воспоминания раздражением другой области коры.

136

Глапа II Психофизиолошяиамяш

2 Теории памяш

137

2.4.2. Распределенность энграммы по множеству элементов мозга

Является ли феномен неассоциативного и ассоциативного обучения нейронов позвоночных и беспозвоночных животных уникальным, свойственным только определенным нервным клеткам и реализующимся только в исключительных условиях? Как показывают факты, приведенные в предыдущих разделах, многие нейроны беспозвоночных животных и многие нейроны разных структур мозга позвоночных животных демонстрируют явления ассоциативного обучения в той или иной форме — в виде истинного условного ответа или неспецифического псевдообусловливания. Из анализа научной литературы, посвященной данной тематике, следует, что обучаемость нейронов, которую исследуют при помощи методов регистрации суммарной активности, методом экстраклеточной и внутриклеточной регистрации — типичное событие в ЦНС позвоночных и беспозвоночных. Рассмотрим некоторые факты.

В исследованиях Р. Доти (1969) изучались условные ответы при использовании в качестве условного стимула (УС) и безусловного стимула (БС) электрической стимуляции определенных областей мозга. Например, в одном из опытов в качестве УС применяли электрическую стимуляцию любой точки мозга, а в качестве БС — электрическое раздражение моторной коры ( в этих опытах условный и безусловные стимулы подавались в разные области коры через макроэлектроды. В такой ситуации происходило формирование условного ответа. При формировании условных ответов развивается снижение порогов, но в зависимости от биологической значимости безусловного подкрепления это снижение может быть большим или меньшим Например, в опытах показано, что при сочетаниях электрической стимуляции зрительной коры с электрической стимуляцией моторной коры формируется условный ответ, который заключается в том, что при действии условного стимула происходит сгибание лапы. Для получения условного ответа к зрительной коре применяли ток силой в 0,55 мА. Когда тот же пункт зрительной коры применяли как УС, предваряющий действие электрошока, то эффективным оказывался ток силой в 0,2 мА. Этот опыт показывает, что мотивация в значительной мере влияет на кортикальную стимуляцию, но фундаментальным остается тот факт, что значительные изменения возбудимости коры получаются при сочетании практически любых двух точек мозга.

За исключением мозжечка стимуляция любого пункта мозга может применяться в качестве условного раздражения. Это было про-

демонстрировано в опытах на цыплятах, кошках, крысах, кроликах, морских свинках, собаках, макаках. Полученные данные свидетельствуют о том, что независимо от того, находится подвергающийся стимуляции элемент в неокортексе, базальном ганглии, таламусе, гипоталамусе, гиппокампе, мезэнцефалоне, доступ к другим стимулируемым структурам мозга открыт.

Предполагается, что субстратом для условных стимулов могут быть наиболее возбудимые элементы мозга, но так как нет данных о различиях возбудимости различных областей мозга, а составляющих их элементах тем более, то можно считать, что эффективные для УС элементы могут быть во всех областях мозга.

Показано, что эффективность одного и того же пункта мозга, используемого в качестве УС, меняется в зависимости от частоты применяемой электрической стимуляции. Это явление специфичной и неспецифичной частоты еще не получило объяснения.

При обсуждении вопроса о природе генерализации и дифференци-ровок при использовании в качестве условных и безусловных стимулов электрической стимуляции разных точек мозга, многие исследователи обращают внимание на тот факт, что животные способны отвечать по-разному на стимуляцию пунктов, расположенных в хвостатом ядре при расстоянии между стимулируемыми пунктами менее 1 мм. Такие же данные были получены и в экспериментах на 17-м поле зрительной коры макаки. Хорошо тренированные животные оказывались способными правильно отвечать в 90% случаев, когда расстояние между электродами, помещенными в 17-м поле, было от 1 до 3 мм. Кроме того, животные хорошо различали частоты электрической стимуляции (2 им/с от 10 им/с).

Таким образом, предъявление двух любых электрических раздражений, локализованных в разных, а иногда и в одной зоне мозга, приводило к ассоциативному обучению. Конечно, при использовании методов регистрации нейронной активности представление о событиях, лежащих в основе такой феноменологии, значительно изменилось. Тем не менее, результаты таких работ заставляют думать о действии универсального биологического механизма, который объединяет два события, попадающих в допустимый интервал времени. В экспериментах, выполненных на клеточном уровне, демонстрируется возможность обучения многих нейронов при сочетании практически любых стимулов. Поэтому ин гересно рассмотреть некоторые исследования, в которых естественные стимулы при формировании условных ответов заменяли порою «бессмысленными» сочетаниями сигналов.

Например, сенсо-сенсорные связи, выработанные по схеме «свет — звук», обнаружены у 25% нейронов зрительной коры и 51% нейронов

138

Глава II Психофизиология памяти

2 Теории памяти

139

ассоциативной (передняя часть супрасильвиевой извилины). Длительность хранения выработанной связи 15—20 мин. Были сформированы сенсо-сенсорные связи на нейронах миндалины и на нейронах коры, изолированной подрезкой от подкорковых образований. Условные ответы появлялись через 10—20 сочетаний, но были неустойчивы и вскоре самопроизвольно исчезали.

Кажется вероятным, что вообще во многих работах, в которых применяется локальная стимуляция электрическим током или локальная стимуляция медиатором и проводятся сочетания таких стимулов, большая часть полученных результатов показывает формирование связей по типу сенсо-сенсорных. Ведь неизвестно, какова функциональная роль того или иного постсинаптического хемочув-ствительного участка и неизвестно, какой именно стимул был адекватным для запуска активности определенного участка электровозбудимой мембраны. Предыстория исследуемых областей, которые участвуют в формировании условного ответа, неизвестна. Тем не менее, хотя получаемые связи неустойчивы, многие исследователи считают, что время сохранения следовых эффектов в таких случаях слишком мало. Но сопоставление с результатами обусловливания, в котором применяют биологически значимые стимулы, не выявляет особенно сильных различий. Эти результаты демонстрируют удивительно высокую степень пластичности, Практически получается, что при предъявлении любых сочетаний возможно формирование условной связи. Например, в опытах Дж. О'Брайна и других ученых (1977) в качестве условного раздражения использовали антидромную стимуляцию аксонов нервных клеток моторной коры кошки, условным и дифференцировочным стимулом служили раздражения передних и задних конечностей. У отдельных корковых нейронов обнаружили ассоциативные перестройки активности, но при этом вовлекались еще многие нейроны.

Невозможно узнать что-либо определенное о локальных изменениях, происходящих в нейроне, который регистрировался в опыте. В экспериментах Барани и Фехера (1981) в качестве безусловного стимула применили антидромную стимуляцию пирамидного тракта, а в качестве условного — электрическое раздражение передней контра-латеральной лапы и интралатерального таламического ядра и контра-латеральной области моторной коры у кошки. После 60—159 сочетаний обнаружили увеличение ответов на УС, которое держалось в течение 3—23 мин. Это изменение обнаружили у 27% всех обследованных нейронов пирамидного тракта. Условные пластические изменения характеризовались специфичностью к ассоциированным раздражениям. Обнаружены изменения уровня МП, сопротивления

мембраны, частоты разрядов. Применяли интервал между УС и БС менее 100 мс (при интервалах от 100 до 400 мс условные ответы не формировались). Эти опыты также не дали ничего определенного о локализации энграммы и механизмах формирования ее в' процессах обучения.

Сейчас стало очевидным, что условные ответы организуются на уровне отдельных нервных клеток. Поэтому особенно усилилась тенденция к исследованию процессов обучения на самых разных моделях, воспроизводящих временные характеристики процесса обучения, но имеющих больше контролируемых факторов. Предположение о том, что формирование условного ответа связано с локальными изменениями, развивающимися на одном нейроне, вызвало целую серию работ, авторы которых пытаются УС или БС адресовать прямо в исследуемый нейрон, тем самым исключая из анализа причин развивающихся изменений целый ряд причин. Одним из первых исследований, в котором действие УС и БС максимально приблизилось к обучаемому нейрону, было исследование И. Буреша и О.Бурешовой (1970). В результате было обнаружено следующее: если предшествующий стимул, который может затрагивать или не затрагивать данный нейрон, будет постоянно сопровождаться эффективной электрической стимуляцией этого нейрона, то примерно 10% нейронов неокортекса, гиппо-кампа, таламуса, мезэнцефалической ретикулярной формации способны изменить свои свойства. Так, изменения возбудимости, часто связываемые с ассоциативным обучением, могут быть обнаружены только на одном нейроне.

Л.Л. Воронин (1970) показал, что на фоне длительной анодной поляризации нейроны сенсомоторной коры изменяют ответы на предъявляемые сенсорные стимулы. В качестве стимулов использовали звуковые тоны, щелчки, вспышки света. В опытах зарегистрировали 34 нейрона, из них 25 на фоне анодной поляризации начинали отвечать на УС, большая часть клеток приобретала свойства полисенсорности. Сочетания звуковых и тактильных стимулов с экстраклеточной поляризацией нейронов ретикулярной формации ствола мозга и гиппо-кампа у крыс вызывали УС только у 8—10% нейронов. В аналогичной экспериментальной ситуации на нейронах двигательной коры было обнаружено примерно 33% условных ответов. Условные реакции на ранее неэффективные стимулы обнаружены у 43% нейронов двигательной коры, когда условным и безусловным стимулом служили соответственно надпороговое и подпороговое для развития разрядов электрическое раздражение. Примерно такое же количество обучающихся нейронов обнаружено в поясной извилине, дорсо-латеральном и вентро-латеральном таламических ядрах.

140

Глава 11 Психофизиология памяти

2 Теории памяти

141

В исследовании Ф.И. Копытовой и М.Я. Рабиновича (1970) использовали поляризацию анодным током через регистрирующий микроэлектрод в качестве БС, а в качестве УС применяли звук. Регистрировали нейроны двигательной коры. На фоне поляризации предъявляли звуковой тон и дифференцировочный, который использовали только один раз. На фоне поляризации многие клетки отвечали на оба тона. Но после выключения поляризации в последействии у некоторых из них обнаружены реакции только на звук, который применяли в качестве УС. Условные ответы на звук сохранялись около 14 мин. В опытах Е.В. Русиновой (1978) в качестве УС применялось электрическое раздражение вентробазального комплекса ядер таламуса, в качестве БС применялась анодная поляризация. Интервал времени между УС и БС от 0 до 250 мс. Интересно, что наиболее выраженные изменения в ответах происходили через некоторое время после отмены раздражения.

В опытах на нейронах имеется тенденция к прямой адресации применяемых стимулов к исследуемому нейрону, что связано с попытками подойти к проблеме локализации энграммы. Такие опыты помогают понять сущность процесса следообразования. В модельных экспериментах распространено применение микроионофоретической аппликации медиатора вместо одного из действующих стимулов. Например, в работе Б.И. Котляра и Ю.С. Овчаренко (1976) в качестве условного стимула применяется звук, а в качестве БС — микроаппликация АХ или глютамата. Эти опыты проводились на нейронах сенсомоторной коры. Было найдено довольно много обучающихся нейронов (33%), у которых повторное сочетание звука с медиатором вызывали формирование условного ответа. При контроле на псевдообусловливание при несинхронизированном предъявлении звука и медиатора иногда возникали изменения ответов на УС. Но есть существенные различия между изменениями, развивающимися вне сочетаний и при сочетаниях. Результаты одинаковы и для АХ и для глютамата. Контроль показывает, что изменения, развившиеся в результате предъявления УС-БС, имеют ассоциативную природу и не связаны с простой сенситиза-цией. Специфичность пластических изменений ассоциируемых раздражений доказывается меньшей эффективностью этих же раздражений во время псевдообусловливания. Аналогичные данные получены в работах других авторов.

Еще большее приближение воздействующих стимулов к исследуемому нейрону достигнуто при использовании в качестве УС поляризации коры одиночным монополярным импульсом тока, а в качестве БС — микрофореза АХ. При сочетании поляризации с медиатором обучение обнаружено у 95% нейронов сенсомоторной коры. Установ-

лено, что если псевдообусловливание предшествует сочетаниям, то только 34% нейронов демонстрирует формирование условных рефлексов. В наших опытах на изолированных клетках также обнаружено, что предварительная стимуляция нейронов сильно отражается на возможности их обучения. Удивляет такой высокий процент обучаемых нейронов — 95%! Правда, в экспериментах использован широкий набор межстимульных интервалов — от 300 до 1000 мс. По-видимому, получена важная характеристика пластичности нейронов сенсомоторной коры — ведь все исследованные нейроны продемонстрировали феномен «непосредственного обучения». Сравнительный анализ активности нейронов сенсомоторной коры при локальных и системных стимулах показал значительное сходство динамики развития процессов ассоциативного обучения. Доля нейронов с пластическими перестройками при системном воздействии и при локальных стимулах сильно отличается — при использовании естественных стимулов процент обучающихся нейронов значительно меньше. По-видимому, этот факт показывает, что прямая адресация УС и БС к исследуемому нейрону уже является достаточной предпосылкой для ассоциативной связи между действующими стимулами. В случае системного воздействия стимулы не всегда конвергируют на исследуемый нейрон, что значительно снижает уровень обучаемости нейронов.

В одном из исследований в качестве УС и БС применяли микроаппликацию медиатора ацетилхолина (АХ)-БС, глютамат — УС. Включение УС предшествовало действию БС на 1—2 с. В контрольных экспериментах при несинхронизированном предъявлении медиатора отмечено лишь незначительное снижение амплитуды ответа на УС. Предъявляли 60—100 сочетаний УС-БС. Получены достоверные изменения ответов на действие УС. При перестановке порядка следования медиаторов не было отмечено достоверных изменений активности к действию УС. Следует специально отметить, что изменением реакции на один из стимулов не исчерпывается изменение функционального состояния постсинаптического нейрона. Это результат постепенного формированияи закрепления нового уровня хемочувст-вительности нейрона к определенному медиатору.

Опыты, в которых использовали такую же ситуацию, как в экспериментах на изолированных нейронах, оказались успешными — они почти всегда приводили к формированию ассоциативной связи, независимо от того, использовались ассоциации двух медиаторов или медиатора и анодной поляризации. Причем интересным кажется тот факт, что с увеличением степени локализации повышается процент обучаемости клеток.

142

Глава II Психофизиология памяти

2 Теории памяти

143

Результаты рассмотренных в данном разделе работ показывают, что при удачном совпадении во время двух действующих стимулов происходит развитие ассоциативного обучения; обучение возможно не только при вовлечении многих элементов ЦНС в обработку сигналов, используемых в качестве УС и БС, но и при прямой адресации стимулов к исследуемому нейрону. Это приводит к сильному повышению уровня обучаемости нейронов. Последние из рассмотренных опытов выполнены на модели, в которой функцию естественных стимулов выполняют микроаппликации нейромедиаторов на нейрон, или же один из стимулов представлен микроаппликацией, а второй — поляризацией. Аналогичный путь исследований с целью подхода к проблеме локализации процесса ассоциативного обучения пройден на моллюсках — от полуинтактного препарата, в котором функцию УС и БС выполняют естественные стимулы, до экспериментов на изолированных нейронах, где в качестве УС и БС применяются микроаппликации нейромедиаторов и деполяризация нейрона через внутриклеточный микроэлектрод. Несмотря на доминирующее в наше время представление о ведущей роли пресинаптических структур в процессах обучения, последние данные показывают, что нет никаких оснований для отрицания роли постсинаптических и эндонейрональных процессов обучения. Сравнение результатов, полученных на полуин-тактных препаратах и на позвоночных животных показывает, что нет каких-либо критических отличий ни в параметрах используемой стимуляции, ни в наблюдаемой феноменологии, а последние эксперименты на изолированных клетках свидетельствуют о том, что в условиях максимально локализованной стимуляции нейронов позвоночных животных, находящихся в цепи, также возможно ассоциативное обучение, в основе которого лежат локальные изменения возбудимости мембраны. Например, в исследованиях С. Буди и других (1978) показано изменение сопротивления мембраны и возбудимости нейрона после обучения. Однако предположение об определяющей роли постсинаптических изменений в обучении подтверждается результатами некоторых работ, выполненных методами исследований ультраструктуры пре- и постсинаптических компонентов аксо-дендритных синапсов 5-го слоя сенсомоторной коры. Обнаружено, что число постсинаптических уплотнений достоверно возрастает после проведения сочетаний микрои-онофоретических аппликаций глютамата с норадреналином. Такие уплотнения храктерны только для ассоциативных применений медиаторов, при изолированных презентациях медиатора такие уплотнения не образуются. Авторы рассматривают эти результаты как доказательство участия постсинаптических образований в ассоциативном обучении нейрона.

Все показатели, используемые при регистрации электрической активности нейронов, естественно, опираются на электрофизиологические характеристики изменений нейронной активности. Тенденция к рассмотрению электрофизиологического эквивалента обучения в качестве конечного результата, формирующегося на основе некоторых эндонейрональных процессов, прослеживается в работах многих исследователей. Предполагается, что для длительного сохранения энг-раммы достаточно устойчивого повышения проводимости синапсов, активированных в процессе обучения. Основываясь на интегративных функциях нейрона и рассматривая электрофизиологическую активность как результат конечной интеграции многих внутринеиронных процессов, на связи между регуляцией электрической активностью и генетическим аппаратом клетки, можно предположить, а на основе имеющихся данных утверждать, что ведущую роль в обучении играют перестройки постсинаптических участков мембраны, участков электровозбудимой мембраны и локусов пейсмекерной активности.

Опыты доказывают, что ассоциативное обучение развивается у нейронов всех исследованных структур мозга. Если принять во внимание, что часть нейронов, по-видимому, должна была бы проявить отсроченное обучение, то процент обучающихся клеток увеличился бы еще больше. В проведенных на изолированных клетках опытах оказалось, что обучается практически любая выделенная клетка. Кроме того, эффект ассоциативного обучения зависит от локализации стимулов, от параметров стимуляции. Необходимо вспомнить о том, что ассоциативное обучение не единственно возможная форма. Например, привыкание, которое было подвергнуто пристальному изучению как в опытах на позвоночных животных, так и на человеке, на полуинтактных препаратах беспозвоночных животных, наконец, на изолированных нейронах, демонстрируется также на нейронах самых разных структур мозга, самых разных ганглиев беспозвоночных животных на разных ступенях эволюции. Изучение механизмов привыкания и локализации его энграммы прошло такой же сложный путь, как и ассоциативное обучение.

Большое значение для понимания законов формирования нейронного пути во время обучения имеют работы с регистрацией латентного периода развития ответов на условный стимул до обучения и после обучения. Например, у нейронов моторной коры при сочетаниях УС-БС латентные периоды ответов увеличиваются более чем на 20 мс У клеток соматосенсорной коры после формирования условных ответов латентные периоды достигают 1200 мс. В слуховой коре и подкорковых системах кошки в процессе выработки условных рефлексов ЛП изменяется до 500 мс. При сочетаниях двух поляризационных точек коры

144

Глаиа II Психофизиология памяти

2 Теории памяти

145

также обнаруживается изменение ЛП развития условной реакции: у нейронов двигательной коры показано изменение ЛП от 20—30 мс до 150-200 мс.

В работах Дж. Олдса и др. (1972) были показаны изменения противоположного направления — укорочение ЛП после формирования условного ответа. В опытах устанавливали жесткие критерии для отбора «обучающихся» нейронов разных структур мозга — к первично обучающимся относили нейроны, у которых условные ответы развиваются с ЛП до 20 мс, ко »вторично» обучающимся относили нейроны с ЛП до 80 мс. В соответствии с этим критерием отбора наибольший процент «первично обучающихся» клеток обнаружен в заднем ядре таламуса, внутреннем коленчатом теле. В таких структурах, как фронтальная кора, сенсомоторная кора, гиппокамп — процент «первично обучающихся» клеток менее высок. Поле СА(1) гиппокампа, тектум, латеральное коленчатое тело (ЛКТ), вентральное ядро таламуса, пе-редне-дорзальная часть ретикулярной формации среднего мозга отнесены по этим критериям к «необучающимся». Эти результаты говорят о том, что часть нейронов мозга в процессе обучения изменяет место в нейронной системе. Следовательно, в процессе обучения происходит реорганизация нейронных систем.

К аналогичному выводу приходят на основании своих исследований Дж. Дистерхофт и Дж. Олдс (1972). Они предполагают, что в начальный период обучения условный стимул связан с определенными проводящими путями, а потом он начинает иррадиировать. При этом развивается изменение эффективности синаптической передачи между пунктами, на которые действуют условный и безусловный стимулы. В основе экспериментального доказательства этой гипотезы также лежит измерение латентных периодов развития ответа на действующий условный стимул в начале и конце обучения.

Изменение латентных периодов в процессе обучения у нейронов, принадлежащих разным структурам мозга, продемонстрировано в работах многих исследователей, причем найдены как структуры, для которых показаны укорочения ЛП, так и структуры, для которых ЛП удлиняются.

2.4.3. Реорганизация нейронной цепи

После обучения при актуализации энграммы через разные интервалы времени после завершения предъявления УС-БС нейронные цепи, осуществляющие реализацию энграммы, изменяются. Одни доказательства получены в опытах при измерении ЛП условных ответов у нейронов разных структур мозга, другие — при сопоставлении ско-

рости выработки условного ответа нейронами разных структур и длительности их сохранения.

По мере упрочения двигательного условного ответа на время, вырабатываемого у кроликов в процессе сочетания звуковых стимулов с электрокожными раздражениями, определенные структуры мозга включаются в процесс реализации энграммы с определенной последовательностью. Максимальная выраженность клеточных реакций на УС может совпадать с проявлением стабильных двигательных реакций, либо опережать их появление. Эти результаты подтверждают наше предположение о временной распределенности энграммы по нейронам разных отделов мозга.

Дж. Дистерхофт и Дж. Олдс (1972) тоже изучали время появления условных ответов в корковых областях, внутреннем коленчатом теле, вентральном, дорсальном, латеральном и заднем ядре таламуса при выработке условного пищевого ответа у крысы. У нейронов внутреннего коленчатого тела и таламической группы ядер первые условные ответы появились в пределах 30—40 сочетаний. Корковые клетки (передней, задней и средней области) начинали реагировать на действие условного стимула через 60—70 сочетаний. Условный поведенческий ответ появлялся у крыс раньше на поведенческом уровне, чем он вырабатывался у нейронов коры. Но максимальные условные ответы во всех исследованных образованиях развивались примерно через 120— 140 сочетаний. Авторы исследования сделали предположение о локализации энграммы. Но как показали результаты опытов Н.Ю. Белен-кова (1980) и Е.Ф. Мордвинова (1982), включение активности отдельных структур мозга в условно-рефлекторную деятельность и выключение из нее являются динамичным, подчиняются никому не известным законам. Мы предполагаем, что таким «организующим законом» является принцип распределенности энграммы по параметру достижения максимальной активности.

Угашение условных ответов и реорганизация нейронной цепи. Еще одним фактором, на который можно опираться при доказательстве изменения состава нейронной цепи, опосредующей актуализацию энграммы в определенное время после обучения, являются результаты разной скорости угашения условной реакции на нейронах структур мозга позвоночных и беспозвоночных.

Как известно из классических работ по условным рефлексам, при продолжающемся действии условных стимулов, не подкрепляемых действием БС, происходит постепенное угашение условной реакции. В работах многих авторов было продемонстрировано, что у большинства нейронов различных корковых и подкорковых структур угашение условных реакций происходит довольно быстро — достаточно 30

10-1015

146

Плана II Психофизиология памяти

2 Теории памяти

147

не подкрепленных действием УС для исчезновения условного ответа. При этом, чем больше упрочен условный ответ, тем больше нужно неподкрепленных УС.

Описаны различия в скорости угашения условных реакций для нейронов разных структур мозга. Например, описано быстрое угаше-ние при неподкреплении у нейронов ретикулярных структур. В противоположность этому клетки гиппокампа — поля СА(1) и СА(3) — проявляли при угашении лишь незначительное снижение частоты разрядов, сохраняя ответы на условный стимул, по крайней мере, при 150 неподкрепленных УС. Особенности угашения условных ответов у нейронов гиппокампа связывают с ролью этих структур в сохранении следовых процессов, которые остаются неизменнными даже при угашении поведенческого проявления условного ответа. Нейроны латерального гипоталамуса и преоптической области заняли промежуточное положение между нейронами ретикулярных структур и гиппокампа. Обращают внимание на то, что тормозные реакции угашаются при неподкреплении значительно быстрее, чем активирующие. Если для угашения активирующей реакции требуется 15—30 предъявлений УС не подкрепленных БС, то для угашения тормозной бывает достаточно и пяти (Хирано Т., 1970).

На нейронах моллюсков также обнаружена разная скорость развития инактивации следового эффекта при неподкреплении условного стимула. Ответы полностью изолированных нейронов показывают, что эти различия скорости угашения сохраняются в условиях отсутствия взаимодействия между элементами ЦНС.

Развитие угашения (инактивации следа памяти) имеет двойной смысл — с одной стороны, скорость развития угашения различна на разных нейронах. Это означает, что после того, как энграмма перейдет в инактивированное состояние на одних нейронах, она будет оставаться активной на других и, следовательно, воспроизведение будет осуществляться на основе новой цепи элементов, включающей нейроны с активно существующим следом памяти. С другой стороны, угашение при неподкреплении является демонстрацией индивидуальных свойств нейронов, как это показывают опыты на изолированных клетках.

Факт реорганизации нейронных цепей, реализующих воспроизведение энграммы, находящейся в активном состоянии, подтверждается следующими данными, разной скоростью обучения нейронов различных структур, изменениями латентных периодов на действие условного стимула до проведения обучения и после его завершения, разной скоростью угашения условного ответа при неподкреплении на нейронах разных структур, отсутствием влияния на воспроизведение со сто-

роны участков мозга, подвергшихся действию амнестического ЭШ, но не связанных с актуализацией энграммы в данный момент времени.

Представление о том, что след памяти не имеет определенной локализации, а считывается с нейронов разных структур мозга в зависимости от обстоятельств, подтверждено экспериментами. Факты, полученные в результате опытов, указывают на принцип распределенности энграммы как на основу организации памяти. «Познавая нейрофизиологическую специфичность мозговых структур, обусловленную особенностями переработки афферентного для данной области носителем информации, мы считаем правильным говорить не о единственном функциональном фокусе при реализации мнестической функции, а об их определенном множестве с широкой мозговой топографией. Приведенные данные говорят о динамичности пространственного расположения фокусов. В процессе выполнения животными отсроченной задачи происходит их пространственное перемещение, блуждание, так что конфигурация ансамбля активно действующих мозговых образований не остается застывшей, а экстренно меняет свою пространственную структуру в зависимости от потребностей регуляции целостного поведения в данный отрезок времени»1. Это дает основание для принятия принципа динамичности в организации морфофункциональной системы обеспечения процессов кратковременной памяти. Этот принцип предполагает нестабильность самой системы во времени. Нестабильность определяется текущими изменениями функциональной значимости образующих систему мозговых структур в ходе реализации энграммы. Топография функциональной части системы, обеспечивающей воспроизведение, может меняться на каждом отрезке времени. Мы предполагаем, что эти изменения связаны с достижением максимума актуализации энграммами других элементов, расположенных в других структурах. Постоянная смена активностей следа памя-\ ти на разных элементах системы является причиной постоянного «блуждания» активных мнестических центров. А. Флекснер и другие (1968) предполагали, что энграмма распространяется по структурам мозга, когда след «стареет».

Доказательствами функциональной перестройки нейронной цепи, опосредующей актуализацию энграммы в определенные моменты времени, являются также результаты опытов, в которых показана взаимосвязь различных структур мозга с возможностью нарушения памяти при локальных стимуляциях через разное время после обучения.

1 Мордвинов ЕФ Элсктрофизиологическип анализ отсроченного поведения Л, 1982 С 170

10*

148

Глава Н Психофизиология памяти

Процедурная и декларативная память

149

Нейрофизиологические механизмы распределенности энграммы.

В опытах на изолированных нейронах виноградной улитки обнаружены клетки, у которых формирование следа памяти происходит во время ассоциативного обучения, так что после определенного количества сочетаний условного и безусловного стимулов формируется энграмма, достигающая уровня актуализации по электрофизиологическим показателям. На других нейронах было найдено отсроченное достижение оптимального уровня выраженности по электрофизиологическим показателям1. Это происходит через различное время после обучения на разных нейронах и, по-видимому, является их биологическим свойством, которое определяется особенностями данного нейрона. Весьма похожие результаты о динамике достижения максимального воспроизведения следа памяти получены в опытах на полуинтактных препаратах.

Если проанализировать, как изменяется время достижения максимальной воспроизводимости следа памяти на разных нейронах, «обученных» в одной и той же ситуации, при выполнении нескольких серий обусловливания, то вскроется удивительный факт: клетки, показывающие максимальное воспроизведение сразу после обучения, будут сохранять энграмму в активном состоянии в течение более длительного времени. Клетки, достигающие наивысшего состояния активности следа через некоторое время после завершения обучения, с каждой следующей серией будут отодвигать пик активности все дальше, а след будет оставаться активным в течение все более длительного времени. Таким способом продлевается активная «жизнь» следа памяти на популяции нервных клеток, участвовавших в обучении. Когда след инактивируется на одной группе клеток, в это время он достигает максимальной воспроизводимости на другой — и так до тех пор, пока не исчерпается временной резерв данного нейронного ансамбля. Энграмма становится неактивной, переходит в латентное состояние и ждет «напоминания», которое при помощи неизвестных пока механизмов выведет ее на уровень актуализации.

3. Процедурная и декларативная память

В последние годы стала приобретать большое значение информация о разных формах памяти. Помимо кратковременной и долговременной памяти, у человека существует еще по меньшей мере две разные системы для усвоения и запоминания информации. Опыты на нормальных животных, выполненные с использованием регистрации

1 См Главу! Пейрофшиочотя Клеточные основы обучения

вызванных потенциалов, а также опыты на животных с различными повреждениями мозговых структур подтверждают существование биологических основ для множественных систем памяти/Выбор системы памяти зависит от особенностей сведений, которые нужно запомнить. Для запоминания большей части ситуаций вовлекается несколько систем памяти. Они имеют разные оперативные характеристики, участвуют в приобретении знаний разного рода и осуществляются разными мозговыми структурами. Л. Сквайр и другие (1993) предположили, что переработка по крайней мере двух видов информации ведется в мозгу раздельно и каждый из этих видов хранится также отдельно. Данные, полученные при наблюдении амнезирован-ных пациентов, а также людей с обычной памятью и животных, позволили пересмотреть понятие о процедурной и декларативной памяти, а также недекларативной, включающей формирование перцептивных навыков и усвоение нового материала.

Процедурная память — это знание того, как нужно действовать. Процедурная память, вероятно, развивается в ходе эволюции раньше, чем декларативная. Привыкание и классическое обусловливание — это примеры приобретения процедурного знания. Процедурная память основана на биохимических и биофизических изменениях, происходящих только в тех нервных сетях, которые непосредственно участвуют в усвоении нового материала.

Декларативная память обеспечивает ясный и доступный отчет о прошлом индивидуальном опыте. Память на события и факты включает запоминание слов, лиц и т.д. Декларативная память должна быть привнесена, содержание может быть декларировано. Она зависит от интеграции в мозговых структурах и связей с медиальной височной корой и диэнцефалоном, которые при повреждении становятся причиной амнезии. Декларативная память связана с перестройкой нервных сетей и требует переработки информации в височных долях мозга и таламусе.

В медиальных височных отделах важной структурой является гип-покамп (включая собственно гиппокамп и зубчатую извилину, суби-кулярный комплекс и энторинальную кору) вместе с парагиппокам-пальной корой. Внутри диэнцефалона важные для декларативной памяти структуры и связи включают медиодорзальные ядра таламуса, передние ядра, маммило-таламический тракт, внутреннюю медуллярную пластинку.

Но понятие о декларативной памяти требует различных уточнений и ограничений и поэтому вводится понятие недекларативной памяти, включающей группу фактов, которые не описываются понятиями декларативной и процедурной памяти. В то время как декларатив-

150

1 лава II Психофизиология памяти

4 Биохимические н молекулярные механизмы памяти

151

ная память относится к биологически значимым категориям памяти, зависящим от специфических мозговых систем, недекларативная память охватывает несколько видов памяти и зависит от множества мозговых систем. Сейчас ясно, что множественные формы памяти поддерживаются определенными мозговыми структурами и имеют разные характеристики.

4. Биохимические и молекулярные механизмы

памяти

Исследования биохимической природы этапов формирования памяти проводятся в основном с использованием ингибиторов синтеза протеинов и различных фармакологических веществ, избирательно подавляющих определенные метаболические процессы нервных клеток. Наиболее распространенным методом является введение веществ животным в разное время после обучения, анализ различных нейрофизиологических феноменов с биохимическими реакциями определенных видов, определение поведенческих эффектов от применяемых препаратов.

Предполагается, что фиксация опыта тесно связана с изменением синтеза специфических белков. Если это предположение верно, то применение веществ, изменяющих возможность такого синтеза на определенном этапе, должно препятствовать приобретению опыта или его воспроизведению. Выполнено много экспериментальных работ, в которых различные ингибиторы синтеза протеинов вводили как перед обучением, так и после его завершения. Результаты этих работ неоднозначны, а основные выводы суммированы в обзорных статьях Они заключаются в следующем:

кратковременная память не затрагивается ингибиторами синте
за протеинов, а долговременная зависит от процесса, на который влия
ет данный ингибитор;
кривая обучения контрольной группы животных и животных,
подвергшихся действию ингибиторов, идентична;
сохранение навыка, измеренное через минуты и часы после обу
чения, остается неизменным после введения ингибитора, хотя дли
тельность сохранения энграммы у животных контрольной группы из
меняется в зависимости от условий эксперимента;
сохранение навыка, измеряемое в часах и днях, значительно
ухудшается после введения ингибитора. В определенных условиях на
блюдается спонтанное восстановление навыка, что демонстрирует не
стабильность энграммы;
в некоторых случаях после введения ингибиторов по окончании
обучения развивается ретроградная амнезия, хотя она носит менее от-

четливый характер по сравнению с аналогичным нарушением памяти при введении ингибитора перед обучением. Возможность ингибиторов вызывать нарушения памяти тем меньше, чем больше времени проходит от момента обучения до момента начала действия ингибитора.

Экспрессия генов и память. Биохимические и фармакологические исследования установили универсальную зависимость долговременной памяти от активации генетического аппарата нервных клеток. У высших эукариот изменения транскрипции в ходе развития могут сохраняться на длительное время, вполне сопоставимое с продолжительностью хранения долговременной памяти. Большинство долговременных изменений экспрессии генов в клетках млекопитающих происходит за счет регуляции транскрипции. Представление о том, что кратковременная память не затрагивается действием ингибиторов, распространено среди исследователей. Пока отсутствуют достаточно четкие и экспериментально подтвержденные данные о взаимосвязи синтеза белков и обучения. Результаты исследований по этой проблеме чрезвычайно пестры и противоречивы. Также необходимо учесть, что применяемые ингибиторы влияют на синтез белков, осуществляемый традиционным образом. Сейчас изучаются и нетрадиционные пути, в частности, выясняется роль внематричного синтеза белков в процессах обучения и памяти. В ходе экспериментов Р.И. Салганика и других ученых (1981), связанных с изучением роли обратной транскрипции в обучении, установлено, что повышение уровня содержания РНК-зависимой ДНК-полимеразы (показателя процесса обратной транскрипции) развивается в гиппокампе быстро обучающихся крыс во время обучения и достигает максимума после его завершения. Эксперименты В.В. Ашапкина и Н.А. Тушмаловой (1984) продемонстрировали следующее: при формировании условных ответов у крысы происходит повышение синтеза ДНК в неокортексе. Индукция синтеза ДНК связана с выработкой условного ответа и первыми часами его хранения. Индуцированный обучением синтез ДНК в неокортексе избирательно связан с последовательностями ДНК, повторенными в геноме 10—20 раз. Предполагается, что этот синтез связан с активацией экспрессии генов. Активация транскрипции многих генов происходит в ответ на внешние воздействия, а также во время развития клеточной дифференцировки.

В нервных клетках экспрессируются многие из генов, в частности, непосредственные ранние гены. Непосредственные ранние гены были идентифицированы в культивируемых клетках во время изучения механизмов геномного ответа на действие факторов роста, запускающих процессы клеточного цикла. В ходе этих исследований была

152

Глава Л Психофизиология памяти

А Биохимические и мочекулярпые механизмы памяти

153

обнаружена группа генов, транскрипция которых активизировалась через несколько минут после добавления в культуру клеток мозга факторов роста. Индукция их транскрипции происходила несмотря на подведение ингибиторов синтеза белка. Это означает, что транскрипция запускается механизмами, заранее готовыми для восприятия экстраклеточных стимулов. Характерной чертой данного механизма регуляции транскрипции является его двухфазность. На первой стадии экстраклеточные сигналы запускают активацию ранних генов, а затем кодируемые этими генами транскрипционные факторы изменяют экспрессию поздних генов, вызывая изменения программ деятельности клетки в ходе клеточного цикла и дифференцировки. Однако данный механизм возник в эволюции достаточно давно и не ограничивается лишь регуляцией процессов роста и деления клеток, а играет достаточно универсальную роль в передаче экстраклеточных сигналов от мембраны к геному. В клетках мозга животных при обучении и при изменениях окружающей среды активируются два представителя семейства «ранних» генов — c-fos и с-]ип. Экспрессия обоих генов затухает по мере потери новизны воздействия или после выработки и автоматизации нового навыка. К индукции экспрессии не приводят обыденная поведенческая активность животных, привычная среда или стимулы. Поэтому можно предположить, что активация «ранних» генов в нервных клетках во время обучения связана с новизной поведенческих ситуаций для животного и с возникновением у них ориентировочно-исследовательского поведения. Этот механизм, вероятно, имеет универсальное значение, поскольку он активируется в разных ситуациях новизны и у разных видов животных. Анализ связи экспрессии гена c-fos с показателями индивидуального поведения мышей при обучении активному избеганию свидетельствует о том, что активация экспрессии данного гена не зависит от того, успешны или нет попытки животного избавиться от ударов тока. Поэтому можно предполагать, что индукция c-fos при обучении происходит при любых новых поведенческих актах. Обучение вызывает экспрессию в нервной системе тех генов, с которыми прежде связывали функцию регуляции процессов клеточного роста и дифференцировки.

Новая гипотеза о роли экспрессии генов в процессах памяти была выдвинута К.В. Анохиным (1997). В отличие от более ранних молекулярных моделей памяти ее основой является двухфазность адаптивного ответа: новизна и рассогласование приводят к активации каскада «ранних» регуляторных генов, кодирующих транскрипционные факторы. В свою очередь продукты этих генов индуцируют экспрессию «поздних» морфорегуляторных генов, выступающих ключевыми участниками последующих процессов морфогенеза. Существенно, что

основные компоненты и этапы этого молекулярного каскада оказываются общими для обучения и развития мозга.

Электрофизиология и биохимия. Большое внимание обращено на изучение синаптических мембран и их роли в передаче, фиксировании и хранении информации. Мембрана может рассматриваться как двойной модификатор в передаче информации. Во-первых, состояние мембраны определяет чувствительность к стимулу. Во-вторых, перестройка мембраны после получения сигнала определяет силу, специфичность и адекватность ответа. Важная роль мембран в передаче и хранении информации связана с кооперативными структурными переходами в них. Эти переходы могут индуцироваться изменениями в липидах и белках. Не только кратковременная, но и долговременная память связана с изменением структуры липидного бислоя синаптических мембран. И кратковременная, и долговременная память зависят от перехода липидов в одно и то же новое жидкокристаллическое состояние.

Современный уровень знаний о синаптической пластичности и эн-донейрональных процессах, участвующих в механизме памяти, достаточно высок. Поэтому накопленные факты позволяют успешно изучать целенаправленное воздействие на синтез протеинов и других специализированных веществ на привыкание, ассоциативное обучение и другие разнообразные формы пластичности нервных клеток. Наиболее интересны результаты опытов, связанных с изучением пластичности по показателям электрической активности нейронов и ее изменений под воздействием веществ, избирательно влияющих на метаболические процессы нервных клеток.

Есть попытки разделить электрофизиологическую феноменологию по этапам становления следа памяти на основе выявления ее чувствительности к действию ингибиторов синтеза протеинов. Например, исследования Е.Н. Соколова и А.Г. Тер-Маргарян (1984) показали, что применение анизомицина затрагивает только долговременное хранение энграммы привыкания. Проводилась длительная регистрация электрической активности идентифицированного нейрона. Привыкание прослеживалось в течение нескольких суток как в условиях нормы, так и после введения в омывающий раствор анизомицина.

Предполагается, что в основе долговременной памяти лежат долговременные изменения хемореактивных свойств мембраны нейронов. Проверка этого предположения приводит к необходимости продления времени наблюдений за модификациями свойств хемореак-тивной мембраны во время обучения. Исследования показали, что при контроле за синаптическими процессами привыкания к орто-дромной стимуляции у идентифицированного нейрона виноградной

154

Глава II Психофизиология памяти

4 Биохимические и молекулярные механизмы памяти

155

улитки сохраняется привыкание в течение 14—15 часов. В исследованиях Э. Кендела (1980) продемонстрировано сохранение привыкания в течение еще большего времени — также при контроле за величиной синаптических потенциалов. В условиях формирования аналога условного рефлекса — гетеросинаптической фасилитации — показано сохранение феномена, определяемого по амплитуде синаптических потенциалов, в течение 42 часов. В исследованиях динамики формирования условного ответа на позвоночных животных при контроле феномена по числу ПД также показано длительное сохранение условного ответа, достигающее нескольких часов.

Эти результаты поддерживают предположение о том, что хеморе-активные мембраны могут обеспечить длительно наблюдаемые пластические перестройки электрической активности нейронов. Это предположение опирается также на эксперименты, в которых осуществляется прямой контроль состояния хемочувствительной мембраны, а именно на опыты, в которых в качестве условного стимула используют микроаппликации медиатора на хемочувствительные локусы исследуемого нейрона. Аналогичные результаты получены и в других экспериментах, когда в качестве безусловного подкрепления применяли микроаппликации медиатора, а в качестве условного — индифферентный раздражитель. Эти результаты позволяют рассматривать длительно сохраняющиеся изменения хемочувствительных мембран нейронов в качестве одного из реальных механизмов, обеспечивающих длительное сохранение энграмм.

Введение ингибитора анизомицина оказалось эффективным в опытах — пластичный синапс, демонстрировавший привыкание, превратился в непластичный. Ингибитор не вызывает изменений основных нейрофизиологических показателей работы клетки — уровня мембранного потенциала, генерации потенциалов действия, паттерна пейсмекерной активности, синаптической передачи. Участие нематричного синтеза РНК в привыкании показано в работах Л.Е. Цито-ловского и А.А. Краевского (1982). Исследовалось влияние на выработку привыкания различных воздействий, направленных на синтез белков и РНК. Привыкание оценивалось по порогу генерации потенциалов действия. Согласно результатам этих исследований, привыкание связано с нематричным синтезом РНК и не затрагивается при действии ингибиторов синтеза протеинов. Этот результат чрезвычайно важен при сопоставлении с результатами других работ, в которых введение ингибиторов оказалось эффективным по отношению к долговременной памяти. Это позволяет предположить, что определенные свойства электрической активности нейронов имеют в своей основе разные биохимические механизмы.

В связи с этим особенно интересными становятся исследования, в которых осуществляется контроль за определенными'компонентами клеточного метаболизма. Например, для формирования гетеросинаптической фасилитации, развития долговременной потенциации существенное значение имеет уровень цАМФ.

Большое значение для исследований тонких биохимических механизмов обучения имеют работы по изучению регулирующей роли ионов кальция, который принимает непосредственное участие в формировании определенных пластических реакций нейронов. Большую роль играют ионы кальция в развитии привыкания электровозбудимой мембраны и ассоциативного обучения. По предположению Кос-тюка и других (1984), кальций осуществляет взаимосвязь между метаболизмом нейрона и его мембраной, являясь метаболически зависимым компонентом клеточной проводимости.

Опыты по долговременному привыканию свидетельствуют об отсутствии отличий нейрофизиологических показателей существования следа памяти на предполагаемых этапах кратковременного и долговременного хранения; качественно электрофизиологическая активность одинакова. Е.Н. Соколовым и его коллегами (1984) выдвигается предположение о том, что в основе долговременной памяти лежат долговременные изменения хемореактивных свойств мембраны нейронов. Это предположение опирается также на эксперименты, в которых осуществляется прямой контроль состояния хемочувствительной мембраны. Результаты позволяют рассматривать длительно сохраняющиеся изменения хемочувствительных мембран нейронов в качестве одного из реальных механизмов, обеспечивающих длительное сохранение энграмм.

Одним из перспективных подходов к изучению механизма памяти является анализ взаимосвязи электрогенеза и метаболизма белков нейронов в процессе обучения. Наиболее удобным объектом для решения этих проблем являются моллюски: большие размеры нейронов, возможность их идентификации от препарата к препарату, способность животных к выработке условных рефлексов позволяют изучать функционирование конкретных элементов условно-рефлекторной сети с дальнейшим их биохимическим анализом. Для выполнения таких исследований исключительные возможности возникают при использовании гигантских нейронов виноградной улитки. В течение ряда лет проводились работы по изучению биохимических механизмов формирования условного оборонительного рефлекса у Helix pomatia. Рефлекс хорошо изучен на поведенческом и клеточном уровнях. Наличие гигантских командных нейронов, способных запускать целостную оборонительную реакцию и являющихся элемен-

156

Глава II Психофизиология памяти

4 Биохимические и молекулярные механизмы памяти

157

тами пластичности данного рефлекса, позволяет производить целенаправленный поиск информационных макромолекул, связанных с обучением. Условным стимулом (УС) служило легкое постукивание по раковине. Безусловным (БС) — интенсивное вдувание воздуха в дыхательное отверстие. Полностью рефлекс закрепляется в течение 8— 15 суток.

Синтез белков и обучение. Исследователи — и нейрофизиологи, и биохимики — давно предполагали наличие глубокой взаимосвязи между процессом обучения и синтезом определенных белков. В истории науки этому посвящена целая глава биохимических и физиологических исследований. В настоящее время показано, что при долговременном обучении модифицируются те же синапсы и каналы, что и при краткосрочном, однако для длительного поддержания их в этом состоянии необходим синтез макромолекул.

Обнаружено два класса белков, наиболее сильно изменяющихся в процессе обучения. Это, во-первых, белок с Rf =0,58, количественное перераспределение которого происходит между мембраной и цитоплазмой на ранних стадиях обучения, без контроля со стороны генома, и, во-вторых, наиболее кислые нейроспецифические белки с Ri=l, пластичность которых проявляется на уровне синтеза. Так как до сих пор не найдены белки, обеспечивающие внутриклеточную передачу информации от мембраны к геному и обратно, то определенный интерес представляют наиболее кислые низкомолекулярные белки. На всех изученных стадиях формирования оборонительного условного рефлекса наиболее интенсивное включение метки наблюдается именно в эти белки.

Новые данные о взаимосвязи этих белков с обучением идентифицированных нейронов моллюска получены в исследованиях Л.Н. Грин-кевич (1992). Исследователям удалось установить, что повышенный уровень синтеза белков наблюдается даже спустя 24 часа после обучения на стадии закрепления условной связи. Так как интенсивное включение метки в белки с Ri = 1 не сопровождается достоверным ростом их количества, можно предположить возможности их перехода из цитоплазмы в другие клеточные структуры. Не исключена также возможность дальнейшего гидролиза для выполнения модуляторной роли в функционировании ЦНС.

Существование белков-предшественников, протеолиз которых приводит к возникновению целого класса функционально активных пептидов, довольно хорошо изучено и описано. Каждый из этих пептидов способен контролировать определенные функции. Так, у апли-зии обнаружен белок-предшественник пептида откладывания яиц, расщепление которого по определенным сайтам рестрикции приводит

к появлению функционально активных пептидов, а их взаимодействие с определенными клетками-мишенями реализует запуск целостной реакции. Не исключена возможность существования'Подобного класса пептидов для реализации запуска целостной реакции оборонительного поведения виноградной улитки. Клетками-мишенями в данном случае могут выступать командные нейроны оборонительного рефлекса, генерация спайковой активности в которых приводит к запуску оборонительной реакции. В то же время эти же пептиды могут вызывать торможение командных нейронов пищевого поведения. Гиперполяризация командных нейронов связана с реализацией оборонительного поведения.

В настоящее время у улитки выделен пептид, аппликация которого на сому изолированного нейрона, не проявляющего спонтанной электрической активности, вызывает генерацию спайка. Известно, что командные нейроны оборонительного поведения являются латентными пейсмекерами, а пластичность пейсмекерного механизма может лежать в основе пластичности поведения. С другой стороны, показано позднее созревание в онтогенезе пейсмекерного механизма нейрона, коррелирующее по времени с появлением механизма реализации условных, оборонительных рефлексов, и в эти же сроки начинается экспрессия кислых нейроспецифических белков, изменяющихся в процессе обучения.

По современным представлениям, фосфорилирование белков К-каналов посредством протеинкиназы-А лежит в основе пластических изменений возбудимости. При этом происходит транслокация из мембраны в цитоплазму двух белков а-субъединицы. А-субъединица белка, выходя в цитоплазму, активирует аденилат-циклазу, которая в свою очередь через цАМФ освобождает каталитическую субъединицу протеинкиназы А, в результате чего последняя катализирует фосфорилирование белков. При этом весь каскад запускается серотонином, которому отводится ведущая роль в инициации оборонительного поведения. В экспериментах in vitro показан резкий рост количества белка Rt =58 в водорастворимой фракции ЦНС, инкубируемой с серотонином. Эти результаты позволили высказать предположение о связи данного белка с системой цАМФ-зависимого фосфорилирова-ния. Результаты серии работ по онтогенезу, показывающие корреляцию появления белка Ri=0,58 с формированием механизмов поведенческой и клеточной сенситизации, лежащей в основе образования оборонительного условного рефлекса, позволили высказать предположение о ключевой роли найденного белка в формировании оборонительного условного рефлекса. Дальнейшее изучение физико-химических характеристик внутриклеточной локализации и генной

158

Глава И Психофизиология памяти

4 Биохимические и молекулярные механизмы памяти

159

экспрессии этих белков будет способствовать выяснению их роли в функционировании метаболического аппарата нервной клетки и пластических перестройках при обучении.

Другое направление поиска нейробиологических основ памяти представлено работами, выполненными с использованием экстраклеточной и внутриклеточной регистрации электрической активности нейронов во время формирования ассоциативных и неассоциативных форм обучения. Необходимо отметить, что, как правило, цель этих работ не определяется интересом к выявлению особенностей электрофизиологических коррелятов на стадии кратковременной и долговременной памяти. Но выявление закономерностей формирования энг-раммы помогает подойти к вопросу о нейрофизиологических показателях кратковременной и долговременной памяти.

Некоторые исследователи считали, что энграммы, находящиеся в стадии кратковременного и долговременного хранения, имеют разное нейрофизиологическое выражение. Предполагается, что память на разных этапах фиксации обеспечивается различающимися пластическими феноменами. Поэтому возникают попытки сопоставлять длительности разных этапов фиксации памяти с длительностью определенных электрофизиологических пластических явлений. Например, многие исследователи, исходя из длительности определенных нейрофизиологических явлений, считают, что гетеросинаптическая фасилитация, посттетаническая потенциация, привыкание и другие пластические явления электрофизиологических процессов являются нейрофизиологическими коррелятами кратковременной памяти. Но из анализа работ Э.Кендела и других исследователей, посвященных изучению нейрофизиологических явлений, которые обеспечивают долговременное привыкание, становится очевидным, что внутриклеточная регистрация электрической активности не выявляет специфических эффектов, связанных с долговременным хранением энграмм. Необходимо отметить, что при анализе экспериментальных данных исследователи сталкиваются с проблемой отсутствия объективных критериев для отнесения следа памяти к долговременному или кратковременному хранению.

Работы по изучению долговременного привыкания показывают, что нет отличий нейрофизиологических показателей существования следа памяти на предполагаемых этапах кратковременного и долговременного хранения, качественно электрофизиологическая активность, обеспечивающая кратковременные и долговременные эффекты, одинакова. Тем не менее это не освобождает от проблемы выбора критерия отнесения следа к кратковременной или долговременной памяти.

В современной нейрофизиологии накоплен большой материал о развитии обучения разных видов на уровне отдельных нервных клеток. Однако из-за отсутствия глобальной теоретической'концепции эти результаты мало используются для анализа структуры памяти на уровне нейрофизиологических явлений. Исключительно перспективным становится привлечение этого громадного экспериментального материала для нейрофизиологического и биохимического уровня анализа следов памяти с позиций состояния энграммы как показателя готовности к воспроизведению.

Раскрытие механизмов памяти — одна из сложнейших проблем современных исследований, решение которой невозможно без комплексных биофизических, биохимических и физиологических исследований функционирования клетки и клеточных ансамблей.

Глава III Ритмы Функциональные сое юяния

161

Глава III. Ритмы. Функциональные состояния

Типы ритмов
Механизмы ритмов
Психофизиология функциональных состояний
Механизмы восприятия времени

В течение миллионов лет эволюционного развития шел процесс не только постоянного усложнения и совершенствования структурной организации живых систем, но и процесс их временной организации. Организация жизнедеятельности во времени так же важна, как и организация в пространстве. Адаптация развивалась не через подстраивание к постоянно меняющимся условиям жизни каких-то отдельных органов, а через скоординированные между собой во времени и пространстве специализированные функциональные системы. Поэтому в настоящее время с помощью исследований временной организации биосистем изучаются эко-лого-физиологические механизмы. Исследования проводятся на разных уровнях биологической организации — от индивидуума как основной единицы биологического сообщества через популяцию до экосистемы.

Жизнь большинства организмов на Земле подчинена ритмам, которые видоизменят их активность на протяжении суток, лунного месяца или же года (рис. 12). Конечно, эти ритмы синхронизируются всевозможными ориентирами, такими как свет и темнота, приливы и отливы или смены времен года. Но теперь известно, что независимо от внешних факторов, эти ритмы поддерживаются и внутренними ритмами, они запрограммированы генетически и находятся под контролем биологических часов. Это в особенности относится к циклу сна и бодрствования, который может сохранять свою примерно суточную периодичность, даже если индивидуум не получает извне никакой информации о времени суток.

Все ритмы — это генетически запрограммированные приобретения эволюции, позволяющие организму адаптироваться к окружающей среде. Однако программа не есть нечто жесткое: она позволяет организмам реагировать на некоторые изменения внешних условий, в частности на колебания количества света, связанные с изменениями

длины дня на протяжении года. Даже для людей цикл света и темноты — это эффективный фактор поддержания биологических ритмов по установленному образцу. У людей, изолированных от световых и социальных сигналов, биологические часы переходят на свободноте-кущий ритм, и синхронность ритмов нарушается.

А "ЮОмс Разряды холодо- (Кошт)
1 ' бога рецептора 'neruus

- пг Пейсмейкерная актибнос/ль (Helix
" (ganglion parietal?) pomatia)

Рис 12. Биологические ритмы (по Ю. Ашофф).

О большей части ритмических изменений мы даже не подозреваем — таковы, например, гормональные приливы и отливы, циклы бы-

11-1015

162

Глава III. Ритмы. Функциональные состояния

строй и медленной активности мозга, циклические колебания температуры тела. Мы замечаем ритмические изменения, происходящие в окружающем нас мире: например, смена времен года — весна, лето, осень и зима образуют привычный цикл; солнце восходит каждый день, движется по небу и садится; луна прибывает и убывает; в океане приливы чередуются с отливами. В организме тоже есть ритмы, связанные с земными циклами и даже приспособленные к ним.

Интерес к биологическим ритмам прослеживается на протяжении двух тысяч лет и восходит к Архилоху (VII в. до н.э.) — древнегреческому поэту, который сказал: «Познай, какой ритм владеет людьми». Одна из новых и быстро развивающихся современных наук — ритмо-логия, или хронобиология — наука, изучающая циклические биологические процессы, имеющиеся на всех уровнях организации живой системы. Основное внимание уделяется тем ритмам, которые сложились в ходе эволюции как приспособление к периодической среде, закреплены в генетической структуре и могут использоваться организмами как подлинные часы. Главный предмет составляют суточные, приливные, лунные и годовые ритмы. Общее для них то, что они ведут себя как автономные колебания и поддаются синхронизации периодическими факторами среды. Это класс циркаритмов. На основе результатов многочисленных исследований складывается картина многоос-цилляторной структуры биологических систем, которая находится под контролем центральных пейсмекеров. Биологические часы, ответственные за циркадианные (околосуточные) ритмы, видимо, регулируются нервными клетками передней области гипоталамуса — разрушение этой области у крыс ведет к утрате ритма активности.

Интерес к биоритмам не ограничивается только стремлением узнать, как функционируют живые существа. Сведения об уровне синтеза определенных веществ в организме могут подсказать, например, какое время дня наиболее благоприятно для приема определенных лекарств. Эксперименты на мышах показали, что чувствительность этих животных к токсичным веществам резко меняется на протяжении суток. Мыши активны ночью, и в это время они могут без всяких последствий переносить такую дозу препарата, которая днем окажется смертельной или вызовет сильную реакцию.

Ритмы присущи не только организмам с хорошо развитым мозгом, но и вообще не имеющим его, как, например, водоросли. На песчаных пляжах есть водоросли, которые во время прилива находятся в песке, но как только начинается дневной отлив, водоросли продвигаются между песчинками и выбираются на солнце. Незадолго до прилива, они вновь уходят на безопасную глубину. Зависит ли поддержание столь сложного ритма у этих одноклеточных растений от их реакции

163

1 Типы ритмов

на сигналы, поступающие из внешней среды? Чтобы выяснить это, водоросли перенесли с песчаного пляжа в лабораторию и поместили в сосуд с песком, находившийся под постоянным освещением. Несмотря на отсутствие смены дня и ночи, приливов и отливов, водоросли, вылезали на поверхность именно в то время, когда на их родном пляже начинался отлив, и вновь зарывались в песок, когда наступало время прилива. Водоросли были настолько пунктуальны, что экспериментаторы смогли сделать заключение об уровне воды на берегу океана, который находился на расстоянии более 27 миль. Поведением водорослей управляли биологические часы, настроенные на лунное время.

Исследователи пытаются выяснить, какова функциональная организация ритма, где находятся структуры, задающие ритм (пейсмеке-ры), и каков физиологический механизм их действия, какие клеточные и биохимические механизмы обусловливают генерацию ритма в самих пейсмекерах.

1. Типы ритмов

Повторение некоторого события в биологической системе через более или менее регулярные промежутки времени можно рассматривать как биологический ритм. Биологические ритмы охватывают широкий диапазон периодов — от миллисекунд до нескольких лет. Их можно наблюдать в отдельных клетках, тканях и органах, в целом организме или только в популяции. Отражает ли ритм, наблюдаемый в данной биологической системе, просто реакцию на периодическое воздействие, внешнее по отношению к этой системе (экзогенный ритм), или же он порождается внутри системы (эндогенный ритм)? Понятие «ритм» достаточно расплывчатое, чтобы быть применимым к разнообразным явлениям, которые могут отражать совершенно разные внутренние механизмы. Ритмы можно подразделять по их собственным характеристикам, таким, как период, по биологической системе, в которой наблюдается ритм, по роду процесса, порождающего ритм, по функции, которую ритм выполняет.

Существует четыре циркаритма1, периоды которых в естественных условиях не меняются, так как они синхронны с циклами внешней среды. Это геофизические циклы — приливы, день и ночь, фазы Луны и времена года. С ними связаны приливные, суточные, лунные и сезонные ритмы биологических систем. На нескольких видах показано, что каждый из этих ритмов может поддерживаться в изоляции от со-

От лат cirka — около.

11*

164

чавд III Ритмы Функциональные сое юяния

1 Тины ритмов

165

ответствующих внешних циклов самостоятельно. Ритм в таких условиях протекает свободно, со своим собственным естественным периодом. Если такой свободно текущий ритм сохраняется на протяжении многих циклов без затуханий, то можно говорить, что он принадлежит к классу автоколебаний (эндогенных ритмов в строгом смысле). Цир-каритмы выработались как приспособления к нишам времени, порожденным периодичностью среды. Включая в свою собственную организацию подобия внешних геофизических циклов, организм приобретает устройство для измерения времени — биологические часы.

Ритмы с разными периодами могут быть различным образом взаимосвязаны. Хорошо известна модуляция ритма сердечных сокращений дыханием. Многие ультрадианные ритмы в часовом диапазоне модулируются по частоте на протяжении циркадного цикла. Циркад-ный ритм может в свою очередь зависеть от окологодового ритма. Вопрос в том, каким образом могут быть связаны ультрадианные и цир-кадианные ритмы. Действительно ли 90-минутный ритм, установленный для чередования быстрого и медленного сна, продолжается во время бодрствования. Действительно ли существует фундаментальный цикл активности — покоя?

Для физической среды, в которой обитают живые организмы, характерны периодические изменения, обусловленные движением Земли и Луны относительно Солнца. Жизнь с момента своего возникновения на протяжении нескольких миллиардов лет должна была приспособиться к интенсивным суточным и годовым колебаниям освещенности и температуры. Приливные ритмы стали оказывать влияние на жизнь с того времени, как была заселена прибрежная полоса. На суше к периодам изменения освещенности и температуры добавились колебания влажности и других факторов. Эти геофизические циклы постоянно бросали вызов живым организмам. С другой стороны, исключительная стабильность геофизических циклов, основанная на законах небесной механики, предоставила животным удобную возможность. Предсказуемость изменений позволяла использовать в качестве жизненной стратегии упреждающие программы поведения. В результате у эукариотических организмов широкое распространение получили врожденные периодические программы обмена веществ и поведения. Например, питание грызунов приурочено к определенному периоду суток. Появившиеся описания анатомии циркадианной системы позволили экспериментально разрешить многие вопросы ее функциональной организации. У моллюска Aplysia и таракана постепенно становится понятным сопряжение между двусторонними парными осцилляторами циркадианной системы. Были проведены исследования путей и механизмов захватывания в изолированном глазу

Aplysia. Но в целом пока еще не определена связь функциональных процессов циркадианной системы с определенными нейронами. Для этой задачи очень хорошо подходят моллюски с их относительно несложной нервной системой и крупными идентифицированными нейронами.

Ритмы с периодом, примерно равным продолжительности суток, называются циркадианными, или околосуточными. Цикл сна и бодрствования у человека, суточные колебания температуры тела, концентрации гормонов, мочеотделения, спады и подъемы умственной и физической работоспособности — это все примеры циркадианных ритмов. Существование внутреннего циркадианного ритма было подтверждено французским спелеологом Мишелем Сифром (1982), который провел около 60 дней в пещере на глубине нескольких сот метров под землей. С поверхностью у него была установлена только радиосвязь для регистрации периодов сна и бодрствования. Активность его мозга регистрировалась соответствующими приборами. Было подсчитано, что средняя продолжительность цикла сна и бодрствования на протяжении всего эксперимента составила около 25 часов. В аналогичных условиях у ряда животных она могла быть меньше 24 часов. У некоторых людей отклонение от 24-часового ритма может быть более значительным.

Циркадианный ритм позволяет людям, находящимся в Арктике, продолжать нормально жить в условиях арктического дня или арктической ночи. Но этот же ритм ответствен за расстройства, возникающие у людей, перелетевших на самолете с одного континента на другой; «внутренние часы» этих пассажиров полностью придут в соответствие с суточным ритмом жизни в их новом местонахождении лишь дней через десять.

Ритмы с периодом более суток называются инфрадианными, т.е. цикл повторяется меньше одного раза в сутки. Некоторые грызуны, например, ежегодно впадают в зимнюю спячку; при этом температура тела у них падает, и они на протяжении нескольких месяцев пребывают в состоянии полного покоя. Этот годичный цикл относится к ин-фрадианным ритмам.

У цирканнуальных ритмов период близок к одному году. Они позволяют различным животным программировать свою деятельность, связанную с размножением, миграцией или зимней спячкой. Нельзя говорить о каких-то единственных биологических часах; скорее всего имеется несколько подобных механизмов, связанных друг с другом, и каждый из них имеет свой период. Вероятно, такие ритмы существуют и у человека, они позволяют ему адаптироваться к смене времен года. Но современная жизнь в комфортабельных условиях, по-видимому,

166

Глава III. Ритмы. Функциональные состояния

2. Механизмы ритмов

167

притупляет чувствительность организма человека к естественным ритмам жизни природы — ведь наша зависимость от нее все уменьшается.

Ритмы с периодом меньше суток называются ультрадианными, частота их повторяемости больше одного раза в сутки. Цикличность фаз, чередующихся на протяжении 6—8-часового нормального сна у человека — один из многих примеров подобных ритмов.

2. Механизмы ритмов

Относительная легкость, с которой удается поддерживать в живом состоянии несколько дней или даже недель полуинтактные препараты, препараты полностью изолированной нервной системы, кусочки нервной ткани беспозвоночных, позволила обнаружить в ряде случаев циркадианные колебатели (пейсмекеры). Очень важным является возможность длительного сохранения нормальной активности у клеток используемых препаратов, так как изучение источников генерации циркадианных ритмов, естественно, требует многочасовых экспериментов.

Один из хорошо изученных многоклеточных организмов — моллюск Aplysia californica, жизнь которого регулируется тихоокеанскими приливами. Aplysia — очень удобный объект для исследований, так как ее крупные нейроны идентифицированы, их связи и функции известны. Глаз этого моллюска весьма сложен и морфологически и функционально. Активность глаза проявляется в виде составных потенциалов действия, регистрируемых в зрительном нерве, которые могут возникать как спонтанно, так и под влиянием света. Если глаз изолировать, то частота и амплитуда составных потенциалов действия, регистрируемых в зрительном нерве, будет демонстрировать цир-кадианный ритм в течение нескольких дней. Фаза наибольшей активности глаза соответствует времени субъективного утра. Следовательно, Aplysia содержит в своем глазу как циркадианный осциллятор, так и фоторецептор, необходимый для захватывания ритма. Ф. Штрум-вассер (1965) обнаружил у некоторых нейронов наружного края глаза определенный ритм импульсного разряда — импульсация возрастает на свету и уменьшается в темноте. Если эти нейроны выделить, поместить в ванночку с морской водой и выдерживать в абсолютной темноте, то их импульсация останется такой же, как если бы они находились внутри живого организма. Очевидно, ритм этих нейронов, помогающий организму согласовывать суточные циклы питания и покоя со сменой дня и ночи, приливами и отливами, регулировался процессами, происходящими внутри самих нейронов. Но каковы эти процессы,

пока еще не установлено, хотя ученые полагают, что существует какая-то связь между скоростью белкового синтеза в клетке и ее ритмом. Например, Р. Чаплейн (1976), экспериментируя народностью изолированных нейронах аплизии, обнаружил зависимость между типом пейсмекерной активности нейрона и наличием определенного фермента.

Циркадианные ритмы частоты потенциалов действия были найдены в записи активности нервных корешков изолированных ганглиев. Ф. Штрумвассер (1964) наблюдал такой ритм при непрерывной регистрации активности перикардиального нерва, отходящего от абдоминального ганглия Aplysia, который несколько дней выдерживали in vitro и в отдельных неидентифицированных волокнах нерва. Были описаны и циркадные ритмы в активности двигательных корешков изолированных брюшных нервных тяжей речного рака.

Эти исследования in vitro показывают, что небольшие изолированные участки нервной системы способны поддерживать циркадианные колебания. Однако до сих пор неясно, обусловлена ли циркадианная периодичность, наблюдаемая в этих изолированных тканях, функцией отдельной клетки или же взаимодействием между несколькими или многими клетками. Эти вопросы пытались выяснить в отношении глаза и абдоминального ганглия Aplysia, но безуспешно. Попытки выделить колебательные клетки при помощи хирургического удаления частей глаза дали противоречивые результаты. Значительные усилия были направлены на то, чтобы показать, что отдельный идентифицированный нейрон — R15 — в абдоминальном ганглии является цирка-дианным колебателем. Но вполне убедительных данных пока получить не удалось.

Развитие нейрофизиологических исследований на изолированных нейронах моллюсков, которые начались в 60-е гг., позволили получить факты, достаточно четко демонстрирующие, что эндогенная пейсме-керная активность идентифицированных нейронов может выполнять функцию искомых «колебателей». Изоляция нейронов нервной системы моллюсков — аплизии, виноградной улитки — позволяет получить препараты, которые сохраняют присущий им в определенных условиях ритм генерации потенциалов действия после физического прерывания их связей с системой. Опыты показывают, что некоторые идентифицированные нейроны способны сохранять постоянный паттерн электрической активности в течение многих часов. При этом пейсме-керная активность нейрона может быть как регулярной, так и групповой. Исследования доказывают, что пейсмекер — это эндогенный ритм. Из опытов на изолированных нейронах — носителях «часов» организма, становится ясно, что генерация внутренних ритмов является

168

Глава III Ритмы Функциональные состояния

3 Пснхофизиолошя функциональных состояний

169

функцией определенного класса нейронов (пейсмекеров), ритм задается специализированными нервными клетками, а не является функцией системы элементов. Система реализует то, что должно развиваться на фоне генерируемого ритма.

В большинстве работ по локализации нейронных циркадианных пейсмекеров пытались выявить осцилляторы, контролирующие проявление какого-либо конкретного наблюдаемого ритма. В этих исследованиях использовали метод повреждения тканей. Но так как проявление ритмичности может быть связано с проводящими путями и процессами, совершенно отличными от колебателя, утрата ритма при каком-то повреждении — вовсе не результат разрушения колебателя.

Это затруднение преодолевается при использовании другого метода — пересадке тканей. Была выполнена работа, в которой достаточно убедительно при помощи трансплантации удалось показать, что у бабочек циркадианный колебатель, контролирующий момент выхода имаго, находится в мозгу. Эти опыты показали, что в мозгу находятся «часы», контролирующие это событие при помощи выделения специального гормона. Однако решающими оказались опыты по удалению мозга у особей одного вида и пересадке его в брюшко особей другого вида. Насекомые, получившие чужой мозг, проявляли нормальную ритмичность, но фаза ритма была типична для донора, а не для реципиента. Тот факт, что пересаженный мозг не только восстанавливал ритмичность, но и определял фазу ритма у насекомого-реципиента, неоспоримо доказывал, что циркадианный колебатель, контролирующий время выхода имаго, находится в мозгу. Для того, чтобы выяснить, какой именно участок мозга выполняет эту функцию, мозг перед трансплантацией разделяли на части. Результаты показали, что лишь интактные церебральные доли создавали условия для выхода имаго. Это позволило сделать вывод о том, что колебатель расположен в боковых участках церебральных долей. Эксперименты с использованием метода трансплантации были проведены на тараканах и на крабах.

Результаты свидетельствуют о том, что циркадианная система состоит из нескольких осцилляторов. Так, особенно ярко это продемонстрировано на беспозвоночных — например, на моллюске Aplysia. Доказано, что любой глаз при изоляции может самостоятельно поддерживать циркадный ритм. Данные, полученные на тараканах, также указывают на двустороннюю парную колебательную систему: каждая из двух зрительных долей независимо от другой способна поддерживать ритмичность. Сходные результаты получены и на жуках.

3. Психофизиология функциональных состояний

Восприятие событий в значительной степени зависит от нашего состояния — от того, напряжены мы или нет, возбуждены или спокойны. Наше восприятие внешнего и внутреннего мира изменяется на протяжении дня в зависимости от уровня бодрствования и от готовности к восприятию сигналов. Д. Хебб (1955) попытался проиллюстрировать это графически: по мере усиления активации организма уровень бодрствования возрастает, но при этом адаптация, возможная благодаря бодрствованию, начиная с какого-то момента может ухудшиться, если активация чрезмерно возрастет. Исследования, выполненные с использованием регистрации электроэнцефалограммы (ЭЭГ), показывают, что для бодрствования, сна и промежуточных состояний типичны определенные ритмы мозга.

Электроэнцефалография (ЭЭГ) — техника для регистрации и анализа электрической активности мозга. У человека определенные мозговые структуры включены в регуляцию состояний сна и бодрствования, в регуляцию реакции активации, когда действуют такие эмоционально значимые факторы, как поощрение, наказание или другие. Многое в нашем понимании функций этих систем и их взаимодействия связано с изучением мозга животных и с наблюдениями того, что происходит, когда эти структуры повреждены. Но есть и другой путь получения информации о том, что происходит в мозге нормального здорового человека. Этот источник фактов действует благодаря возможности регистрации электрической активности мозга. Такая регистрация включает усиление очень слабых нейроэлектрических сигналов, которые затем подвергаются компьютерной обработке и анализу. ЭЭГ делает возможным получение паттернов колебаний мозговой электрической активности, которые развиваются, когда клетки передают сигналы и обрабатывают получаемую информацию. Нервные клетки мозга генерируют электрические импульсы, которые, суммируясь, образуют определенные паттерны ритмической активности. В 1929 г. Ганс Бергер в Германии изобрел электроэнцефалограф, прибор для измерения и регистрации этих ритмов головного мозга. Регистрация электрической активности мозга и ее анализ привели к выделению такого научного направления, которое и получило название электроэнцефалографии (ЭЭГ).

Чтобы зарегистрировать ЭЭГ, необходимо на коже головы расположить два электрода. Каждая пара электродов отводит сигнал по одному из нескольких регистрируемых каналов ЭЭГ. Этот сигнал отражает разность потенциалов между процессами, отводимыми двумя

170

Глава 111 Ритмы. Функциональные состояния

3 Психофизиология функциональных состояний

171

электродами. Колебания потенциалов — это проявления спонтанной или фоновой активности мозга. Они происходят постоянно, независимо от каких-либо внешних воздействий. Последовательности изменения разности потенциалов и есть ЭЭГ. ЭЭГ нормального взрослого человека в состоянии покоя представлена ритмической активностью, известной как альфа-ритм. Альфа-ритм — это более или менее регулярная электрическая активность мозга, частота которой около 10 Hz (Герц), особенно ясно выраженная в зрительных отделах мозга. У большинства людей альфа-ритм появляется, когда человек расслабляется и закрывает глаза. Отсутствие такой ритмики обычно рассматривается как признак реакции активации — десинхронизации альфа-волн. Когда человек возбужден или насторожен, альфа-волны замещаются низковольтными нерегулярными быстрыми колебаниями. Во время сна электрическая активность мозга представлена медленными колебаниями (рис. 13). Нерегулярные медленные волны известны под названием дельта-волн. Например, они могут исходить из области, расположенной поблизости от зоны с каким-либо повреждением.

(б) v^^^W^J*^lWWrt^^^

АгЛЛл^Ц^-*^^

Рис. 13. Уровни бодрствования, определяемые по ЭЭГ: а — состояние бодрствования, глаза открыты; б — альфа-ритм (8—12 Гц); в — тета-ритм (3—7 Гц). Отмечена последовательность наиболее ярких тета-волн; г— сонные веретена (отмечено);д — дельта--ритм (0,5—2 Гц); е — парадоксальная стадия сна (REM).

ЭЭГ-ритмы изменяются, например, под влиянием каких-либо внутренних или внешних событий. Наиболее четким, выраженным в ЭЭГ эффектом, является депрессия альфа-ритма, когда человек открывает глаза или думает над задачей, которая требует определенных зрительных представлений. Определенные патологические состояния мозга также отражаются в изменении электроэнцефалограммы. От-

сутствие электрических разрядов или развитие патологической актив
ности является серьезным обстоятельством для того, чтобы .подозре
вать болезнь мозга. '

ЭЭГ как область нейронауки, занимающаяся изучением работы мозга, состоит из нескольких направлений. Одно из них связано с исследованием механизмов ритмической активности мозга, поиском структур и элементов, задающих определенный ритм, а также способов синхронизации активности нервных клеток. Другое направление связано с использованием ЭЭГ для диагностики функциональных состояний.

3.1. Что такое функциональное состояние

Понятие функционального состояния (ФС) широко используется в психологии, нейрофизиологии, эргономике и других науках. Это объясняется тем, что в самых разных сферах жизнедеятельности человека успешность его труда, обучения, творчества, физического и психического здоровья зависит от его функционального состояния. Деятельность не существует отдельно от состояния. Функциональное состояние — непременная составляющая любой деятельности и поведения. Всем хорошо известна зависимость эффективности деятельности от функционального состояния (ФС). Это соотношение обычно представляют колоколообразной кривой, показывающей, что наилучшие результаты деятельности как при исполнении, так и при обучении соответствуют некоторому среднему значению, которое получило название оптимального функционального состояния. Сдвиг ФС в сторону от оптимального независимо от его направления сопровождается снижением результатов выполняемого физического или психического действия.

Наиболее часто функциональное состояние определяют как фоновую активность ЦНС, в условиях которой осуществляется та или иная деятельность. Изменение функционального состояния отражается не только в возбудимости головного мозга, но и в его реактивности и лабильности. Выявление зависимости большого числа физиологических реакций — частоты пульса, величины кровяного давления, частоты и глубины дыхания, кожно-гальванической реакции (КГР) и различных ЭЭГ-реакций, мышечного тонуса, скоростных характеристик двигательных ответов — от изменения функционального состояния привело к идее определять функциональное состояние через симпто-мокомплекс, систему этих реакций.

Взгляд на ФС как на фактор, который лишь ухудшает или улучшает выполнение деятельности, в последнее время сменился представле-

172

Глава Ш Ритмы Функциональные состояния

3 Психофизиология функциональных состоянии

173

нием о более фундаментальной роли ФС в поведении. Многие экспериментальные данные свидетельствуют, что модулирующие влияния в ЦНС играют не менее важную роль для процесса обучения, чем подкрепление. Исследование ретикулярной формации с ее активирующими отделами, а также лимбической системы, от которой зависит моти-вационное возбуждение, дает основание связывать их с особым классом систем, выполняющих функции модуляции в мозге. Функциональное состояние является тем результатом, который достигается при конкретном взаимодействии таких систем. Поэтому функциональное состояние следует рассматривать как особое психофизиологическое явление, закономерности которого заложены в архитектуре модулирующих функциональных систем. Только на основе знаний о реальных процессах управления функциональными состояниями можно создавать адекватные методы их диагностики. Анализ ФС как самостоятельного психофизиологического явления ставит перед исследователями задачу изучения собственно нейрофизиологических механизмов обеспечения и регуляции ФС, в частности, уточняется значение и роль механизмов, регулирующих функциональные состояния, для деятельности мозга. Этот взгляд на проблему ФС наиболее последовательно проводит Н.Н. Данилова (1992), исследующая ФС как на уровне поведенческих показателей, так и на уровне нейронных процессов. Механизмы регуляции функциональных состояний — это большое самостоятельное направление в нейронауке.

Установлено, что одной из наиболее важных областей для регуляции состояния бодрствования является внутренняя область варолиева моста и ствола мозга. Волокна этой области идут к ядрам таламуса, имеющим связи с корой. Ретикулярная формация моста и ствола мозга эффективно воздействует на кору больших полушарий. Электростимуляция ретикулярной формации моста возбуждает в коре активность, которая отражается на ЭЭГ. Повреждение моста ведет у животных к необратимому переходу в коматозное состояние. Перерезка, выполненная на уровне ретикулярной формации ствола мозга, приводит к феномену «спящего мозга», который не может проснуться.

Определяющая роль функциональных состояний проявляется не только в успешности или неуспешности различных видов деятельности, но и в формировании функциональных систем, обеспечивающих реализацию определенных видов поведения. Так, в опытах была показана необходимость модулирующих влияний из ретикулярной формации мозга для становления детекторных свойств нейронов у котят в сенситивный период онтогенеза. Модулирующие системы не просто создают фон, улучшающий или ухудшающий исполнительную дея-

тельность или обучение. Неспецифическая активация — это необходимая составляющая любого вида деятельности и поведения. Всякие нарушения, возникающие в пределах неспецифического входа к специфическим, интегративным и исполнительным системам мозга, ведут к дезорганизации поведения, как приобретенного в течение жизни, так и врожденного. Сохранность нервных связей, определяющих паттерны конкретного поведения, еще не гарантируют его реализацию. Для мотивированного поведения необходима также сохранность модулирующей системы мозга. Результаты экспериментов заставляют трактовать функциональные состояния как особый базаль-ный механизм интегративной деятельности мозга. Только на основе изучения этого механизма возможно создание эффективных методов диагностики функциональных состояний. Согласно современным данным, модулирующая система мозга гетерогенна, поэтому ФС по своей природе явление системное.

Наиболее значимым показателем функционального состояния нейрона является паттерн электрической активности, вызываемой применением раздражения, по отношению к которому проводится обучение. Эксперименты, выполненные на нейронах методом внутриклеточной регистрации, показывают, что паттерн отражает соотношение натриевой и кальциевой проницаемости мембраны и является существенной характеристикой селективного каналообразования.

Применение идентифицированных нейронов в опытах по изучению механизмов памяти позволило обнаружить весьма интересный феномен: возможность пластического преобразования исходной реакции у одного и того же нейрона при одном и том же уровне мембранного потенциала (МП) и одинаковой интенсивности электрического раздражения в разных опытах различна. Почему же в одной и той же экспериментальной ситуации на идентифицированном нейроне получаются разные результаты обучения? Оказывается, обучаемость нейрона зависит от паттерна исходного ответа. В свою очередь временная структура исходного ответа на электрический стимул определяется функциональным состоянием нейрона, которое регулируется более тонким фактором, чем МП, и в определенных пределах не зависит от его уровня. Говоря о функциональном состоянии нейрона, мы будем иметь в виду совокупность фоновых параметров его активности — таких как уровень МП, амплитуда потенциалов действия (ПД), порог генерации ПД, состояние пейсмекерного механизма, возможность развития постсинаптических потенциалов. Каким же фактором регулируется функциональное состояние нейрона? В обычных нейрофизиологических опытах этот регулирующий фактор ускользает от контроля экспериментатора. Связь между паттерном исходного ответа, обу-

174

Глава III Ритмы Функциональные состояния

3 Психофизиоаогия функциональных состояний

175

чаемостью и функциональным состоянием становится очевидной в специальных опытах.

Каждая из систем ионной проводимости скорее всего обеспечивает разные аспекты деятельности нейрона. В этом отношении особенно интересен анализ развития пластических эффектов, возникающих во время обучения нейронов. При повторном предъявлении электрических внутриклеточных импульсов тока наиболее быстро привыкание развивалось у нейронов, исходная активность которых имеет кальциевую природу. Нейроны промежуточного типа имеют смешанные ответы, в обеспечении которых принимают участие ионы кальция и натрия, а не привыкающие клетки демонстрируют полностью зависимые от натрия ответы. Следовательно, в зависимости от состояния кальциевой и натриевой проводящих систем мембраны привыкание у одного и того же нейрона протекает с разной эффективностью. Можно было бы считать, что пластичность исходной реакции нейрона при повторных предъявлениях электрических стимулов целиком определяется состоянием кальциевой системы проводимости. Однако опыты, выполненные при отсутствии кальция в физиологическом растворе, показывают, что возможны определенные пластические преобразования исходной реакции — в этом случае привыкание развивается в основном по амплитуде ПД. Функциональное состояние нейрона определяется соотношением натриевой и кальциевой проницаемости. Степень участия этих систем проводимости в активности нейрона отражается во временной структуре ответа и в обучаемости нейрона.

3.2. Сон и бодрствование

Треть жизни человек проводит во сне: он спит 20 лет жизни из 60, соответственно 25 из 75 лет. Сон — это функциональное состояние, полностью отрезающее нас от нашего физического и социального окружения.

Трудно установить истинную продолжительность сна у животных. Существовало представление о том, что меньше спят животные, у которых удельный вес головного мозга по отношению к весу спинного мозга минимален. Обезьяны — животные, ближе всего стоящие к человеку, обладают монофазическим ночным сном, с одним длинным периодом, т.е. моделью сна, неотличимой от человеческой. У макак-резусов активность в течение суток продолжается 12—16 часов, после чего наступает сон. Гамадрилы также спят ночью, иногда лишь недолго дремлют днем после еды. Перед сном у них наблюдается агрессивное состояние; сон прерывистый, через каждые два-три часа наступает

пробуждение (на 30—40 минут). Более чутко спит самец (он меняет положение в течение ночи до 40 раз, самка — 10—15 раз).

Различают дневных и ночных животных, преимущественная активность которых приходится на определенную часть суток. Ночное бодрствование имеет в своей основе два фактора. Первый — эволюционный — у животных, для выживания которых было целесообразно приспособиться к ночной активности. Второй — физиологический — у животных, для которых раздражителем, активатором нервной системы служит дневной свет. Характеру активности соответствуют и вегетативные ритмы, колебания отдельных показателей при этом очень велики. Так, температура тела летучих мышей в период бодрствования повышается на 20°, обычных мышей — на 2°, обезьян — на 2—2,5°, кошек — на Г, морских свинок — на 0,5°.

3.2.1. Виды сна

Сон — специфическое состояние нервной системы с характерными особенностями и циклами мозговой деятельности (см. рис. 13). Человек засыпает не постепенно, а сразу — переход от состояния бодрствования к состоянию сна совершается мгновенно. Это было показано У. Дементом. Суть его опытов заключалась в следующем: испытуемый должен был попытаться заснуть, несмотря на воздействие раздражителей. Он лежал с открытыми глазами, через каждые одну-две секунды давали световую вспышку; испытуемый должен был при виде вспышки каждый раз нажимать на кнопку. Постепенного угасания реакции нажатия на кнопку обнаружено не было. Действие — а значит, и восприятие — прекращалось внезапно, когда испытуемый засыпал, хотя глаза его оставались широко открытыми.

Сейчас известно, что сон — не просто восстановительный период для организма, и главное — это не однородное состояние. Сон проходит различные стадии: за медленноволновым сном следует сон другого типа — парадоксальный. Эта последовательность повторяется в каждом из пяти циклов длительностью примерно по 90 минут, обычных во время нормального ночного сна.

Медленноволновый («медленный») сон. Он составляет около 80% общего времени сна. Регистрируя электрическую активность мозга у спящих людей, ученые смогли выделить четыре стадии, в течение которых мозговая активность проявляется в форме все более и более медленных волн, вплоть до четвертой стадии, соответствующей глубокому сну.

По мере того как человек погружается в сон, ритмы сердца и дыхания замедляются, становясь все более равномерными. Даже если во

176

Глава III. Ритмы Функциональные состояния

3 I кихофпзиолопш функциональных состояний

177

сне сохраняется определенный тонус мышц, в момент достижения стадии глубокого сна тело расслабляется, и организм, очевидно, в максимальной степени восстанавливает физические силы. Однако некоторая реактивность сохраняется и во время сна; по-видимому, многие люди способны просыпаться в намеченный час или просто при произнесении их имени. «Медленный» сон в свою очередь подразделяется на несколько стадий, выделенных на основании изменений ЭЭГ и отличающихся по глубине. В 1-й стадии (дремоте) исчезает основной биоэлектрический ритм бодрствования — альфа-ритм, он сменяется низкоамплитудными колебаниями различной частоты; 2-я стадия (поверхностный сон) характеризуется регулярным появлением веретенообразного ритма: 14—18 в 1 с («сонные веретена»); 3-я и 4-я стадии объединяются под названием дельта-сна, потому что во время этих стадий на ЭЭГ постепенно увеличиваются высокоамплитудные медленные волны — дельта-волны (в 3-й стадии они занимают от 30 до 50% всей энцефалографической картины, а в 4-й — свыше 50%). Это наиболее глубокая стадия сна — чтобы вывести из нее, нужны сильные звуковые раздражители. Во время медленного сна снижается мышечный тонус, становятся регулярными и урежаются дыхание и пульс, отсутствуют движения глаз. Во время дельта-сна регистрируется спонтанная кожно-гальваническая реакция (КГР). При пробуждении из медленного сна отчеты о сновидениях, как правило, отсутствуют, часто недооценивается длительность предшествующего сна и отрицается какая-либо психическая активность.

Парадоксальный сон. Американские ученые Е. Азеринский и Н. Клейтман (1953) открыли феномен «быстрого» сна и тем самым новую эру не только в изучении сна, но и в изучении мозга в целом. Основные данные, полученные за истекшие 30 лет, сводятся к следующему. Сон не является единым состоянием мозга и организма, а состоит по меньшей мере из двух качественно различных состояний, называемых «медленным» и «быстрым» сном. Они отличаются по совокупности биоэлектрической активности мозга, активности глазодвигательных мышц (электроокулограмма), тонусу мышц диафрагмы рта (электромиограмма) и многочисленным вегетативным показателям: частоте сердечных сокращений и дыхания, сопротивлению кожи. Долгое время полагали, что медленноволновый сон — единственный вид сна, но результаты экспериментов Е. Азеринского и Н. Клейтмана показали, что после волн, характерных для четвертой стадии, т.е. глубокого сна, развивается электрическая активность иного типа. Сначала подумали, что это просто возврат к первой стадии (легкому сну), но потом поняли, что речь идет о какой-то неизвестной ранее стадии. Действительно, спящий в это время находится в полной неподвиж-

ности вследствие резкого падения мышечного тонуса, тогда как дея
тельность мозга возрастает, как будто человек просыпается. Тем не
менее одни лишь глаза совершают быстрые движения под сомкнуты
ми веками (БДГ). ,

Стадию БДГ-сна с быстрыми движениями глаз называют также «парадоксальным» сном из-за наблюдаемого, казалось бы, несоответствия между состоянием тела и активностью мозга. Во время стадии БДГ разбудить спящего очень трудно, но если это удается, можно услышать его рассказ о том, что он видел во сне, причем богатство и точность деталей этого сновидения контрастируют с тем, что бывает во время медленноволнового сна. Поскольку сновидения тесно связаны с парадоксальным сном, можно сделать вывод, что их продолжительность, вероятно, сравнима с продолжительностью периодов такого сна. Кроме того, было отмечено, что если в первые периоды сновидение данной ночи обычно не отличается большой оригинальностью, то в последующих периодах сна с БДГ сновидения становятся все более яркими (в среднем примерно одно из каждых трех сновидений).

Во время «быстрого» сна на ЭЭГ появляются быстрые низкоамплитудные ритмы, что делает эту фазу сна неотличимой по электроэнцефалографическим проявлениям от активного бодрствования. Усиливается мозговой кровоток. Тонус мышц диафрагмы рта падает до нуля. Перечисленные физиологические изменения относятся к числу постоянных проявлений фазы быстрого сна, характерных для нее на всем протяжении. Кроме них, выделяют фазические проявления, возникающие эпизодически. Прежде всего к ним относятся быстрые движения глазных яблок при закрытых веках, мышечные подергивания отдельных групп мышц, изменения частоты сердечного ритма и дыхания с общей тенденцией к возрастанию показателей по сравнению с бодрствованием и медленным сном. Порог пробуждения в «быстром» сне колеблется от высокого до низкого. При пробуждении из «быстрого» сна здоровые испытуемые в 80—90% случаев докладывают о сновидениях.

Весь ночной сон состоит из 4—5 циклов, каждый из которых начинается с первых стадий медленного сна и завершается быстрым сном. В двух первых циклах преобладает дельта-сон, а эпизоды быстрого сна относительно коротки. В последних циклах преобладает быстрый сон, а дельта-сон резко сокращен и может отсутствовать. Длительность цикла измеряется от начала медленного до завершения быстрого сна, у здоровых испытуемых она относительно стабильна и составляет 90—100 мин. Структура сна, процентное соотношение отдельных стадий, у здоровых лиц одинакового возраста со сходными личностными особенностями и пребывающих в одинаковых условиях более

12-1015

178

Глава III Ритмы Функциональные состояния

3 Психофизиология функциональных состоянии

179

или менее сходна. 1-я стадия занимает в среднем 5—10% сна, 2-я — 40—50%, дельта-сон — 20—25%, быстрый сон — 17—25%. Таким образом, экспериментально установлено, что каждый здоровый субъект каждую ночь 4—5 раз видит сновидения и «разглядывание» сновидений занимает в общей сложности от 1 до 1,5—2 ч. Люди, утверждающие, что они видят сновидения очень редко, просто не просыпаются в фазе сновидений. Интенсивность самих сновидений, степень необычности и эмоциональной насыщенности может быть различной, но факт их регулярного возникновения во время сна сомнений не вызывает.

Сон млекопитающих и птиц по своей организации принципиально не отличается от сна человека, хотя циклы, как правило, короче, а медленный сон у животных менее дифференцирован и процентное соотношение быстрого и медленного сна различно у разных животных. Выделить состояния сна и бодрствования на низших филогенетических уровнях очень трудно. Спит ли улитка, уютно устроившись в своем домике, мы не знаем. Продолжительность сна непостоянна и зависит от условий внешней среды. Правильнее говорить в этих случаях о смене периодов активности и покоя. Однако у моллюсков (особенно головоногих), высших ракообразных, пауков возникают состояния, напоминающие сон. Еще ярче выступает упорядоченная смена двух состояний у насекомых, земноводных, птиц и млекопитающих. Тут, конечно, можно говорить о сне и бодрствовании.

Кроме электрофизиологических, для отдельных стадий сна характерны определенные гормональные сдвиги. Так, во время дельта-сна увеличивается экскреция гормона роста, который стимулирует обмен тканей. Во время быстрого сна усилена экскреция гормонов коры надпочечников, которая в бодрствовании возрастает во время стресса. Исследования, посвященные изучению последствий лишения сна и его отдельных стадий, показали, что организм особенно нуждается в дельта-сне и в быстром сне. После полного лишения сна в течение одних или нескольких суток (опыты проводились на добровольцах, согласившихся принять участие в исследованиях) в первую «восстановительную» ночь, когда предоставляется возможность отоспаться, чаще всего наблюдается увеличение дельта-сна. В эту ночь его длительность значительно больше, чем обычно. Быстрый сон, как правило, увеличивается на вторую или третью ночь. У некоторых людей с высоким уровнем эмоционального напряжения прежде всего увеличивается быстрый сон. Разработаны способы, позволяющие систематически предотвращать появление дельта-сна или быстрого сна. Избирательное подавление дельта-сна осуществляется методом подбужива-ния, когда при появлении дельта-волн на ЭЭГ подаются звуковые сиг-

налы, не столь громкие, чтобы вызвать пробуждение, но достаточно интенсивные, чтобы обеспечить переход к более поверхностным стадиям сна. Чтобы избирательно исключить быстрый сон, неловека или животное пробуждают при первых признаках этой фазы сна — появлении быстрых движений глаз или падении мышечного тонуса.

Исследования показали, что после депривации в восстановительном сне компенсаторно увеличиваются именно те стадии, которые подавлялись. Следовательно, организм в них нуждается и старается при первой возможности восстановить дефицит. Однако этим, по существу, исчерпываются те результаты исследований, по которым мнения всех ученых совпадают. Дальше начинаются разногласия. Какие процессы происходят в мозгу и организме в целом во время дельта-сна и почему он необходим? Предполагается, что во время медленноволно-вого сна происходят восстановительные обменные (анаболические) процессы в различных тканях организма. Они направлены на компенсацию истощающего ткани катаболизма, который усилен в период активного бодрствования. В пользу этой гипотезы как будто свидетельствует целый ряд фактов. Дельта-сон удлиняется, параллельно увеличивается содержание в плазме анаболического гормона роста после интенсивной мышечной работы, при быстрой потере веса, при повышении основного обмена вследствие тиреотоксикоза. После лишения дельта-сна испытуемые часто жалуются на чувство физической разбитости и неприятные ощущения в мышцах.

Однако, по данным других авторов, дельта-сон увеличивается при длительном постельном режиме, т. е. при минимальной физической нагрузке. Можно, конечно, предположить, что при продолжительной детренированности наступает атрофия мышц и увеличение дельта-сна, сопровождающееся анаболическими процессами. Но в таком случае длительные периоды обездвиженности должны приводить к значительным отклонениям дельта-сна от возрастной нормы. Между тем при обследовании больных, которые в течение ряда лет находились в состоянии гипо- и адинамии из-за повреждения нервной системы, мы не обнаружили ни существенного увеличения, ни существенного уменьшения дельта-сна. У одного из этих пациентов было полное перерождение мышечной ткани во всех группах мышц, при жизни у него были в течение 8 лет сохранены только движения глазных яблок, а 4-я стадия занимала столько же времени, сколько у здоровых испытуемых.

Эти противоречия заставляют предполагать, что восстановление тканевого обмена, если и происходит во время дельта-сна, то не является единственной функцией этого состояния. Эксперименты продемонстрировали, что дельта-сон играет важную роль в процессах запо-

12*

180

Глава III Ритмы Функциональные состояния

3 Психофшио югия функциональных состоянии

181

минания. Добровольным испытуемым предлагали перед сном заучивать определенное количество бессмысленных сочетаний букв. Бессмысленные буквенные сочетания выбирались для того, чтобы исключить возможность запоминания по ассоциации. После первых трех часов сна испытуемых будили и просили вспомнить заученное. Оказалось, чем богаче этот период сна был насыщен дельта-волнами, тем лучше было запоминание. Эти результаты совпадают с данными ряда других исследователей. Они помогают понять, почему при лишении сна и дельта-сна ухудшается память и снижается внимание. Возможно, во время дельта-сна происходит определенное упорядочение поступившей в период бодрствования информации, ее организация в зависимости от степени значимости. Из школьного опыта многие помнят, что заученное непосредственно перед сном легко вспоминается утром.

Гипотеза об устранении информационной перегрузки и облегчении запоминания значимого материала во время дельта-сна согласуется с представлениями известного американского исследователя X. Хартмана о том, что в этот период осуществляется синтез белковых макромолекул в центральной нервной системе. Одна из популярных современных концепций памяти связывает запоминание нового материала с образованием и перестройкой белковых макромолекул. Наконец, эта же гипотеза позволяет дать предположительное объяснение усиления кожно-гальванической реакции в дельта-сне. Во время бодрствования эта реакция усилена при эмоциональном напряжении, и в частности, во время процесса принятия какого-либо решения активность должна быть минимальной, что и имеет место. Если же процесс сортировки информации нарушается, например, из-за лишения всего сна или дельта-сна, то для поддержания внимания, извлечения из памяти требуемого материала и усвоения новой информации могут потребоваться повышенные энергозатраты.

Наряду с этим выяснилось, что если глубокий сон необходим организму, то нужен ему и парадоксальный сон. Во время различных исследований испытуемых систематически будили в тот момент, когда электрическая активность мозга и движения глаз указывали на переход в фазу парадоксального сна. Потом им позволяли снова заснуть и проспать в общей сложности столько же часов, что и обычно, но периоды парадоксального сна таким образом исключались. Когда после этого тем же испытуемым позволяли спать непрерывно, доля периодов БДГ в общем времени сна значительно увеличивалась.

Было выдвинуто много гипотез о значении парадоксального сна. Некоторые исследователи полагают, что это периоды восстановления клеток; другие считают, что сон с БДГ играет роль «предохранитель-

ного клапана», позволяющего разряжаться избытку энергии, пока тело полностью лишено движения, по мнению третьих, он способствует закреплению в памяти информации, полученной во время бодрствования. Некоторые исследования указывают даже на тесную связь между уровнем интеллектуальности и общей продолжительностью периодов парадоксального сна.

Результаты исследований по нарушению быстрого сна человека оказались более противоречивыми, чем те, которые были получены при наблюдении животных. Первые сообщения об эффекте длительной депривации были сенсационными. В. Демент обнаружил у своих испытуемых значительные изменения психики: эмоциональную и поведенческую расторможенность, галлюцинации, бредовые идеи. Это первое исследование испытуемых-добровольцев, которых лишали быстрого сна, пробуждая при первых признаках его появления. Эксперимент продолжался до 11 суток и был прекращен из-за грубых нарушений в поведении у испытуемых.

Одно из первых подобных исследований проводилось Р. Картрайт. В ходе него удалось установить, что лишение быстрого сна приводит к различным изменениям психики и поведения в зависимости от исходного психического состояния. Тревожные субъекты реагируют на деп-ривацию значительным усилением тревоги. Кроме того, изменение графика сна свидетельствует о потребности этих лиц немедленно компенсировать дефицит быстрого сна. Из результатов этих исследований можно сделать вывод о том, что потребность в быстром сне определяется необходимостью для организма сновидений и такая потребность в сновидениях у разных людей различна. Более того, дальнейшие эксперименты показали, что эта потребность зависит не только от особенностей личности индивида и психического состояния в период исследования, но и от характера его деятельности при депривации. Нет четкого ответа на вопрос, для чего нам в необычной ситуации нужен быстрый сон. Приходит ли творческое решение задачи во время самого быстрого сна? Или быстрый сон необходим для закрепления в памяти новых способов поведения, обнаруженных еще в период бодрствования, т.е. функцией быстрого сна является только улучшение процессов памяти?

В пользу второй точки зрения свидетельствует ряд исследований, проведенных на животных. Показано, что лишение быстрого сна, осуществляемое непосредственно после уже достигнутого успеха в обучении, сводит этот успех на нет. Следовательно, само нахождение новых форм реагирования и достижение высокого уровня успешности происходят еще во время бодрствования, а быстрый сон вроде бы лишь способствует закреплению в памяти уже найденного. В пользу этой

182

Глава III Ритмы Функциональные состояния

3 Психофизиология функциональных состояний

183

точки зрения свидетельствуют также отдельные сообщения о том, что лишение быстрого сна никак не влияет на запоминание и обучение, если обучение до депривации проводилось интенсивно и длительно, а полное закрепление в памяти материала завершилось еще до депривации.

Однако, признав, что основная функция быстрого сна связана с процессами запоминания, мы сразу сталкиваемся с рядом противоречий. Прежде всего трудно понять, почему быстрый сон избирательно способствует закреплению в памяти только принципиально новых решений, если сам процесс нахождения решения совершается независимо от него. Предполагается, что есть несколько различных механизмов запоминания и консолидации материала в памяти, и для простых задач используется один механизм, а для сложных, хотя уже и решенных в период бодрствования, — совсем другой.

Результаты других исследований показали, что быстрый сон увеличивается больше у тех животных, которые обучаются хуже всего. Непонятно, почему депривация быстрого сна, предшествующая обучению, затрудняет решение некоторых задач. Признание за быстрым сном важной роли в процессах консолидации заставляет нас столкнуться еще с одним парадоксом: процесс консолидации непрерывный, а быстрый сон возникает с весьма продолжительными интервалами.

Следовательно, если быстрый сон и необходим для упрочения в памяти новой информации, сомнительно, чтобы это происходило в самом быстром сне. Есть больше оснований предполагать, что быстрый сон косвенно способствует запоминанию, например, устраняя препятствия, которые могут мешать усвоению непривычных для субъекта сведений. В частности, таким препятствием может быть эмоциональное напряжение. Однако вопрос функции сна не был до сих пор ни достаточно четко сформулирован, ни сколько-нибудь подробно обсужден в специальной литературе. И причина этого в том, что авторы теоретических концепций сосредоточили основное внимание на специфике предъявляемых задач, обычных и необычных, и гораздо меньше интересовались особенностями поведения субъекта в процессе решения этих задач. Предполагалось, что поведение одинаково, или несущественно, или, во всяком случае, задается условиями самой задачи, т.е. не учитывалось наличие двух фундаментальных типов поведения и реагирования на любую ситуацию — поисковой активности и отказа от поиска.

Согласно гипотезе B.C. Ротенберга и B.C. Аршавского (1984), в быстром сне осуществляется поисковая активность, задачей которой является компенсация состояния отказа от поиска в бодрствовании.

3.2.2. Механизмы сна

Электроэнцефалография — этап огромной важности для изучения сна и бодрствования. Первым исследователем, записавшим электрические потенциалы мозга, был мэр Ливерпуля лорд Р. Катон. Он обнаружил различие электрических потенциалов между двумя точками на скальпе кроликов и обезьян (1875). Электроэнцефалография, впервые примененная в клинических условиях австрийским ученым Бергером, сразу же продемонстрировала резкое отличие биотоков бодрствования от ритмов сна и установила, что потенциалы мозга во время сна неоднородны.

Эти исследования подтвердили многие ученые. Было установлено: чем выше уровень бодрствования, тем менее выразительной выглядела электроэнцефалограмма, чем глубже сон, тем более чёткими и яркими были особенности биотоков мозга. Показатели частоты характеризуются снижением по мере углубления сна. И если в отношении человека дело до недавнего времени ограничивалось исследованием лишь поверхностной электроэнцефалограммы, то в эксперименте на животных были получены записи биотоков мозга с помощью электродов, погруженных в глубинные отделы мозга на фоне перерезок, разрушений и раздражения отдельных участков мозга.

Используя эти данные, Ф. Бремер (1935) выполнил исключительно важные опыты, результаты которых помогли в определении структур мозга, участвующих в регуляции состояния сна и бодрствования. Перерезая кошке спинной мозг на уровне первого шейного сегмента, он получил препарат encephale isole (изолированный мозг), который позволял на ЭЭГ животного наблюдать кривые, характерные для сна и для бодрствования. При перерезке же на уровне среднего мозга — препарат cerveau isole (конечный изолированный мозг) — появилась стабильная электроэнцефалографическая картина сна. Результаты опыта показали, что критичные для изменения уровня бодрствования структуры расположены в стволе головного мозга. X. Мэгун и Г. Мо-руцци (1949), раздражая электрическим током ограниченную зону ретикулярной формации ствола мозга, получили реакцию пробуждения у спящей кошки.

Ретикулярная (сетевидная) формация ствола мозга представляет собой огромную сеть нейронов, большая часть которых имеет короткие аксоны, соединяющие между собой клетки этого образования. Расположено оно по всей длине ствола мозга, между ядрами черепно-мозговых нервов и длинных путей (эфферентных и афферентных), соединяющих полушария мозга со спинным мозгом.

184

Глава III Ритмы Функциональные состояния

3 Психофи шолоптя функциональных состояний

185

Функциональное назначение этого образования долго остава пось невыясненным.

Сон, очевидно, регулируется взаимодействием групп нейронов, находящихся в разных участках мозга, в том числе в ретикулярной формации, ядрах шва и голубом пятне. Ретикулярная формация — это особая структура внутри моста и верхней части мозгового ствола в пределах заднего мозга, которая играет важную роль в процессе пробуждения. Ядра шва, тоже находящиеся в осевой части заднего мозга, по-видимому, вызывают сон путем торможения ретикулярной формации. Серотонин, основной медиатор ядер шва, вероятно, и является фактором, который индуцирует сон. Недостаток серотонина заставляет животное бодрствовать. Но адреналин стимулирует пробуждение, а голубое пятно — одна такая область, содержащая норадреналин. При повреждении голубого пятна животные спят намного больше, чем обычно.

Сказать точно, как взаимодействуют эти мозговые структуры и их медиаторы, невозможно, но то, что они взаимодействуют в процессе регуляции сна — бодрствования, не вызывает сомнений. Например, после перерезки нервных путей, идущих от голубого пятна к ядрам шва, у животного наблюдается временное сокращение сна — как фазы БДГ, так и остальных фаз.

3.2.3. Продолжительность сна

Какова же нормальная продолжительность сна? Какие факторы определяют длительность сна? Прежде всего играет роль возрастной фактор. Ранее, опираясь на наблюдения, считали, что новорожденный до 4—6 недель бодрствует 2 часа в сутки, в 1—2 года — 6—8 часов, в 2—3 года — 7—9 часов, в 3—4 года — 8—10 часов, в 4—6 лет — 9—11 часов, в 6—9 лет — 12—14 часов, в 9—13 лет — 14—16 часов. В юношеском возрасте спят обычно 8—10 часов, после 20 лет — 6—8 часов, в среднем возрасте — 5—7 часов. Ночной сон пожилых несколько укорочен. В настоящее время эти данные несколько изменены, прежде всего это относится к детскому сну. Указанные ранее часовые показатели оказались резко завышенными, так как анализировались два состояния: покой и активность по поведенческим проявлениям. Электроэнцефалографические же данные показали, что во время сосания у ребенка могут быть ЭЭГ-модели сна, а в состоянии покоя ЭЭГ-модели бодрствования. Установлено, что сон у новорожденного составляет 16,3 часа (вместо указанных ранее 22 часов). Наиболее длительный непрерывный период сна продолжается 4 часа, а отношение продолжительности ночного сна к длительности дневного выра-

жается отношением 100:98. Уже на третьей неделе жизни ночной сон младенца составляет 14,8 часа. Наибольший период непрерывного сна достигает 8,48 часа, а отношение ночного сна к дневному составляет 100:46. К монофазическому сну — делению суток на два периода, сон и бодрствование, переходят дети 5—6 лет. В юношеском возрасте сон продолжительнее, чем в зрелом, когда окончательно формируются индивидуальные особенности, привычки сна. Следует твердо помнить, что никакие средние показатели не могут отразить многочисленных вариантов нормальной длительности сна. У взрослого человека они колеблются от 4 до 10 часов.

Исследования показывают, что много спать вредно. Излишний сон у ребенка способствует развитию флегматичности, задерживает умственное развитие, нарушает функции кровообращения и пищеварения. Много спят люди со сниженным интеллектом. Н.Н. Миклухо-Маклай заметил, что папуасы спят очень много и засыпают в любых положениях. То же можно сказать и о людях недеятельных, инертных. Было подмечено, что люди энергичные, подвижные, живущие напряженной внутренней жизнью, спят меньше средней нормы. Помимо возраста и привычки на продолжительность сна может оказывать влияние ряд внешних факторов и условий окружающей среды. Тяжелый труд, сопровождающийся полноценным ощущением умственной и физической усталости, способствует удлинению сна.

3.2.4. Спячка

Совершенно особый феномен — спячка животных (в природе рас
пространены зимняя и летняя спячки). В жаркое время, когда пере
сыхают водоемы, в спячку впадают земноводные, в засушливых пус
тынях — суслики. При наступлении холода и снижении температуры
до +5° 8° наступает сон у насекомых, червей, земноводных, лету
чих мышей, ежей, медведей. Водоросли, амебы, инфузории при ухуд
шении условий среды перестают двигаться, принимают форму шара,
покрываются толстой предохранительной оболочкой. Во время спяч
ки у млекопитающих снижается газовый обмен, дыхание и сердце
биение ослаблены и урежены, температура снижается до 0° 5°. В

опытах на ежах было показано, что снижение внешней температуры ведет к исчезновению биопотенциалов мозга, они сохраняются лишь в гиппокампе. Когда животные просыпаются, к ним возвращаются все навыки, имевшиеся до спячки. Механизмы столь точно управляемой гипотермии крайне интересны, так как снижение температуры тела — способ, которым пользуется медицина при лечении некоторых заболеваний.

186

Глава III. Ритмы. Функциональные состояния

Я. Психофизиология функциональных состояний

187

Среди животных, впадающих в спячку, есть своеобразные чемпионы. Это суслики-песчаники, впадающие в летнюю спячку в конце июля, которая переходит в зимнюю. Таким образом, спячка длится девять месяцев в году. В таком состоянии животные могут переносить очень низкую температуру и кислородную недостаточность, их организм устойчив к некоторым инфекционным заболеваниям.

3.2.5. Значение сна

Как ни удивительно, но пока неизвестно, каково назначение сна. Ясно, что он представляет собой биологическую потребность нашего вида. Кто-то сказал, что сон существует для того, чтобы «помешать нам бродить в потемках и натыкаться на вещи». Тот, кто хоть раз устраивался на ночлег в дикой местности, как это делали наши примитивные предки, найдет в этой фразе больше здравого смысла, нежели простого остроумия.

Долгое время полагали, что сон — это полный отдых организма, позволяющий ему восстанавливать силы, израсходованные в период бодрствования. Действительно, недостаток сна иногда существенно сказывается на поведении: некоторые люди засыпают буквально стоя, галлюцинируют или начинают бредить после трех дней лишения сна; другие теряют даже способность нормально воспринимать осязательные, зрительные или звуковые стимулы. Распространенное в прошлом представление о том, что сон необходим для «отдыха» нейронов и характеризуется снижением их активности, в настоящее время полностью опровергнуто. Во время сна в целом не происходит существенного снижения средней частоты нейронных разрядов по сравнению с состоянием спокойного бодрствования. В быстром же сне спонтанная активность нейронов нередко бывает выше, чем в напряженном бодрствовании. В медленном и быстром сне активность различных нейронов организована по-разному. Интенсивность энергетического обмена в мозговой ткани во время медленного сна почти такая же, как в состоянии спокойного бодрствования, а во время сна значительно выше. Таким образом, можно утверждать, что мозг активен во время сна, хотя эта активность существенно иная, чем в бодрствовании и на разных стадиях сна имеет свою специфику.

Возможно ли в принципе утомление нейронов? Известно, что цикл возбуждения и сокращения сердца длится несколько десятых долей секунды, отдых же занимает оставшееся время цикла (т.е. тоже десятые доли секунды). При этом не возникает необходимости в длительном многочасовом прекращении деятельности сердца для отдыха. Цикл возбуждения нейрона намного короче и занимает тысячные

доли секунды. Нет основания думать, что для его восстановления недостаточно микроинтервалов между проявлениями деятельности. Таким образом, ни экспериментально, ни теоретически не подтверждается мысль, что сон — результат утомления нейронов головного мозга. Тем не менее усталость, по-видимому, все же является фактором, способствующим наступлению сна. Речь идет прежде всего об усталости скелетной мускулатуры. Мышечное утомление заставляет человека принять горизонтальное положение и расслабить мышцы, что способствует наступлению сна, так как снимает мощный поток импульсов, идущих от сокращенных мышечных волокон. Умственная усталость тоже может быть важнейшим фактором наступления сна. Однако для понимания этого факта необходимо ознакомиться с новыми представлениями о функциональном назначении сна. Наиболее четко их сформулировал американский исследователь Гарднер. По его мнению, в течение дня мозг накапливает огромную информацию, дальнейшее усвоение которой становится затруднительным. Мозгу необходимо отобрать информацию, оформить ее в качестве программы действия на будущее. Образно говоря, кратковременная память заполняется днем, а ночью содержащаяся в ней информация (не вся) медленно переходит в долговременную память.

Установлена роль двух факторов, вызывающих включение эндогенных аппаратов: внутренние вегетативные ритмы и утомление из-за информационной перегрузки. Определенная роль во включении активных гипногенных аппаратов принадлежит и внешним факторам, таким, как свет, шум, мышечная активность, устранение которых способствует наступлению сна. Все это в сумме составляет третью группу влияний, которые можно обозначить как рефлекторные.

Совершенно закономерен вопрос о том, что способствует включению активирующих аппаратов восходящей ретикулярной формации ствола мозга, которая обеспечивает пробуждение. Ряд положений, затронутых выше, дает ответ на этот вопрос. Так, пробуждение обычно совпадает с началом подъема суточной температурной кривой, здесь сказывается роль ритмов.

Ясно, что речь идет не только о факторах, включающих аппараты сна и бодрствования. Возможно, что завершение рассортировки информации, восстановление информационной емкости мозга также делает ненужным дальнейшее пребывание в состоянии сна. Вероятно, большую роль играют и внешние факторы, оказывающие стимулирующее влияние на функциональное состояние активирующих механизмов. Проблема заключается в расшифровке функционального назначения указанных состояний. Этот вопрос уже нельзя связывать с такими факторами, как внутренние ритмы или рефлекторные влия-

188

Глаиа III Ригмы Функциональные состояния

4 Механизмы isocприятия времени

189

ния, включающие активирующие или гипногенные системы. Информационная же теория сна является попыткой представить функциональное назначение сна. Такое представление приходит на смену широко распространенным в прошлом взглядам об энергетической роли сна.

4. Механизмы восприятия времени

Время позволяет нам распределять свою деятельность. Но человек может надежно воспринимать только очень короткие отрезки времени в пределах между 0,5 и 2 с. Действительно, под нижней границей от-дельные воздействия уже не воспринимаются как единичные: 18 изображений в секунду сливаются в одно непрерывное движение, 18 виб- 1 раций воздуха в секунду превращаются для нашего уха в один звук (самый низкий), а 18 легких ударов по коже воспринимаются как одно надавливание. Такова, по-видимому, разрешающая способность наших чувств во времени. У разных видов она может варьировать. '

Над верхней границей в 2 с мы можем лишь приблизительно оценивать время по ориентирам, связанным с нашей деятельностью. Однако различные факторы могут несколько изменять оценку протекающего времени. Некоторые биологические изменения, например, повышение температуры тела, могут вызвать переоценку времени, понижение температуры — наоборот, недооценку. То же происходит под влиянием мотивации или интереса, предъявляемого к некоторым тестам, а также под воздействием различных наркотиков. Успокаивающие лекарства, вызывающие замедление физиологических процессов, способствуют недооценке отрезков времени, а возбуждающие лекарства и галлюциногены, ускоряющие психические процессы и переработку сигналов мозгом, напротив, влекут за собой преувеличение оценок времени. Как же действуют наши внутренние часы? Современные методы дают возможность исследовать это удивительное явление не только наблюдая за жизнью живого существа, но и при помощи микроэлектродной регистрации электрической активности отдельных нервных клеток, а также с помощью биохимического и нейрогенети-ческого анализа. Одним из первых явлений, доступных для нейрофизиологического анализа, стал рефлекс на время.

Проявлением рефлекса на время является эффект экстраполяции. Эффект экстраполяции заключается в том, что спайки начинают возникать еще до действия раздражителя, так что максимум ответа предшествует или совпадает с его предъявлением. Это выражается в постепенном сокращении латентного периода нейронного разряда, а затем и в опережении разрядом реально действующего раздражителя. Перерыв в опыте приводит к тому, что выработанный эффект экстраполя-

ции нарушается и реакция возникает вновь с определенным латентным периодом. По мере предъявления раздражителя эффект экстраполяции формируется за более короткое время. Эффект экстраполяции можно наблюдать при действии световых и звуковых раздражителей. При этом момент действия раздражителя совпадает с кульминационным пунктом ответа нейрона на «воображаемый» раздражитель. Нейроны с экстраполирующим эффектом были обнаружены в гиппо-кампе кролика и в зрительной коре. Экстраполяция заключалась в возрастании вероятности появления спайков на участке 200—300 мс, предшествующих действию раздражителя. При нарушении стереотипа (пропуске стимула) эффект экстраполяции нарушался. Вместе с тем пропуск раздражителя позволил показать, что на уровне отдельного нейрона имеет место аналог рефлекса на время: конфигурация спайкового разряда при отсутствии стимула напоминала реакцию на раздражитель. При изменении порядка нанесения раздражителей эффект экстраполяции в виде спайков, предшествующих стимулу, исчезает. Чтобы его вызвать, нужно было снова создать условия регулярной стимуляции.

Каков же конкретный нейронный механизм феномена экстраполяции? Исследователи предполагают, что необходимым условием срабатывания некоторых нейронов является совпадение сигналов, приходящих по одному каналу прямо от раздражителя и с некоторой временной задержкой по другому. В зрительной коре кролика были обнаружены нейроны, избирательно реагирующие на вспышки света, разделенные определенными интервалами: одни нейроны реагировали, если интервал был равен 2 с, другие — 5 с. Такие нейроны можно назвать «детекторами времени».

Под влиянием постсинаптической потенциации возбудимость цепи таких нейронов — детекторов времени — возрастает настолько, что появляется спонтанная генерация групп спайков, соответствующая интервалу между наносимыми раздражителями.

Механизм «опережающей реакции» можно представить таким образом: вспышка вызывает первичный и вторичный разряд по независимым путям, которые конвергируют на нейроне. Вторичный разряд приходится на действие следующей вспышки. Первичный разряд, суммируясь со вторичным разрядом от предыдущей вспышки, теряется на фоне вторичного разряда. Эффект опережения состоит в том, что вторичный разряд предваряет действие следующего стимула и выполняет функцию экстраполирующего механизма. Отчетливый эффект «врабатывання» был обнаружен на нейронах таламуса

Возможно, что эффект экстраполяции связан с циркуляцией нервных импульсов. Экспериментальные исследования этого предположе-

190

Глава III Ритмы Функциональные состояния

ния выполняли методом многоканальной микроэлектродной регистрации. Был разработан метод, позволяющий следить за направлением распространения импульсов по цепочке нейронов. Зная расстояния между электродами и момент появления разряда под каждым из них, можно оценить направление и скорость циркуляции импульсов. Авторы пришли к заключению, что между таламическими ядрами и пирамидными клетками коры мозга встречается циркуляция импульсов по цепям, имеющим сложную конфигурацию со скоростью проведения 0,5—8,1 мс. Во сне эта регулярная циркуляция импульсов возрастает. Циркуляция импульсов может быть вызвана как отдельным стимулом, так и ритмическим раздражением одной и той же частоты. При этом раздражения одной и той же частоты вызывают один и тот же характерный порядок циркуляции импульсной активности

Циркуляция импульсов, с одной стороны, может обеспечивать поддержание возбуждения в течение времени, достаточного для фиксации следа памяти, с другой, — вовлекая в реакцию новые нейроны, служить механизмом считывания информации и передачи ее исполнительным нейронам в целях воспроизведения циркуляция импульсов по цепочкам нейронов может объяснить и такое явление, как реакция «опережения». Действительно, такой нейрон при повторении стимула с определенным интервалом может ответить опережающей реакцией. Есть данные о возможности циркуляции нервных импульсов не только в цепях нейронов, но, возможно, и в отдельных нейронах. Так, некоторые данные указывают на то, что у звездчатых клеток IV слоя коры больших полушарий есть ветвящиеся аксоны, заканчивающиеся на самом теле нейрона, в результате чего возможна циркуляция сенсорного возбуждения. Однако наиболее вероятно, что в динамических следах памяти участвуют цепочки нейронов.

Кроме механизма отсчета времени, связанного с циркуляцией нервных импульсов по цепочке нейронов, не исключена возможность существования особых механизмов, деятельность которых связана с пейсмекерными клетками. Представление о таких нейронах основывается на высокой согласованности во времени реакций с участием разных отделов мозга. «Единая служба времени» могла бы объяснить такую согласованность работы нейронов. Можно ожидать, что такие нейроны отличаются высокой периодичностью разрядов и не подвергаются влияниям со стороны внешних раздражителей.

Глава IV. Психофизиология зрительного восприятия

1. Эволюция глаза 2.Глаз

Сетчатка
Топографическое отображение
Зрительные области мозга
Рецептивные поля
Нейробиология цветового зрения
Два глаза
Стереоскопическое зрение

10. Карты коры

Почти все живое чувствительно к свету. Растения воспринимают энергию света, некоторые из них поворачиваются вслед за солнцем так, как будто у них есть зрение Животные используют свет, тень и зрительные образы, чтобы избежать опасности и преследовать свою добычу. Мир человека в значительной мере формируется при помощи зрительной информации, которую он получает при помощи глаз. Роль зрения в жизни людей и животных огромна. По сравнению с другими органами чувств у человека наиболее развито зрение. Сравнивая зрение человека со зрением животных, мы обнаруживаем сходство в действии основных механизмов, но находим и множество различий. Экспериментальные исследования, которые выполняются на нейронном уровне, позволяют нам заглянуть как бы внутрь специализированных мозговых структур человека, которые обеспечивают формирование видимого нами мира.

Свет — это то, что позволяет нам видеть окружающий нас мир. Свет состоит из частиц, называемых фотонами Каждую частицу можно рассматривать как последовательность электромагнитных волн Будет ли луч электромагнитной энергии светом, а не рентгеновскими лучами или радиоволнами, определяется длиной волны — для света это расстояние составляет приблизительно 0,0005 мм, или 500 нм (нанометров). Наши глаза могут воспринимать электромагнитные волны длиной от 400 до 700 нм Обычно попадающий в наши

192

I лапа IV Психофизиология зрительно!о восприятия

1 Зиолюция I лаза

193

глаза свет состоит из сравнительно однородной смеси лучей с различными длинами волн; такую смесь называют белым светом. Для оценки волнового состава световых лучей измеряют световую энергию, заключенную в каждом из последовательных небольших интервалов, например от 400 до 410 нм, от 410 до 420 нм, после чего рисуют график распределения энергии по длинам волн. Для света, приходящего от Солнца, этот график похож на кривую без резких подъемов и спадов с пологим максимумом в области 600 нм. Эта кривая типична для излучения раскаленного объекта. Положение максимальной точки зависит от температуры источника: для Солнца это будет область около 600 нм, а для звезды более горячей, чем наше Солнце, максимальная точка сдвинется к более коротким волнам — к голубому концу спектра. Если мы каким-то способом попытаемся отфильтровать белый свет, удаляя все, кроме узкой спектральной полосы, то получим свет, который называют хроматическим.

Среди наиболее впечатляющих открытий, сделанных в области механизмов зрительного восприятия, можно назвать открытия двух американских физиологов — Д. Хьюбела и Т. Визела, которые регистрировали электрическую активность отдельных клеток зрительной области коры мозга кошки при предъявлении ей простых зрительных фигур. Использовались светлые полосы, проецируемые на экран, расположенный перед кошкой. Ученые обнаружили, что в некоторых клетках электрическая активность возникает при предъявлении кошке полосы света под определенным углом. Только при данном наклоне полосы клетка мозга реагировала возбуждением в виде длительного потока импульсов, а при изменении угла она «молчала». Разные клетки реагируют на разные углы наклона. Клетки, расположенные в глубине мозга, реагируют на более общие характеристики раздражения, причем ответ возникает независимо от того, какая часть сетчатки стимулируется светом. Другие клетки зрительной области кошки чувствительны только к движению, причем к движению, осуществляемому в одном направлении. Это открытия величайшей важности, так как они показывают, что в мозгу существуют анализирующие механизмы, выделяющие определенные признаки предметов.

1. Эволюция глаза

Первые простейшие глаза реагировали только на свет и изменение его интенсивности. Реакция на свет обнаружена уже у одноклеточных. Уже у низших животных находим рецепторы, чувствительные к свету. Простейший вид органа зрения мы встречаем у дождевого червя. Это отдельные светочувствительные клетки, разбросанные изолированно

в наружных покровах кожи. Они способны различать лишь свет и тьму. Эти клетки могут быть рассеяны по всей коже (как у земляного червя) или сгруппированы, чаще всего выстилая впадины или'углуб-ления, которые дали начало настоящему глазу, создающему изображение. Более развитые глаза, способные сформировать сложное изображение, возникли из клеток, чувствительных к свету, расположенных на поверхности тела простейших животных. Весьма вероятно, что фоторецепторы скрывались в углублениях, потому что там они оказывались защищенными от яркого света, который уменьшал их способность улавливать движущуюся тень, предупреждающую об опасности. Простейшим глазным орбитам угрожала опасность попадания в них чужеродных частиц, мешающих восприятию света. Чтобы защитить их от опасности, над глазными орбитами развилась полупрозрачная мембрана. Когда при мутационных изменениях эта мембрана стала тоньше в центре, она превратилась в примитивную линзу. Первые линзы обеспечивали только повышение интенсивности света, а позже они начали создавать изображения предметов. Древний тип глаза сохранился у одного из моллюсков, которые еще и в наше время встречаются на Земле. Это Nautilus. Он имеет примитивный глаз без линзы, но с маленьким отверстием величиной с булавочную головку. С помощью этого отверстия он и создает изображения. Внутренность глаза омывается морем, в котором он живет, в то время как глаз с линзой заполнен специально вырабатываемой жидкостью, заменяющей морскую воду. Более сложной формой глаза, хотя, конечно, все еще необычайно примитивной, являются объединения зрительных клеток в группы. При этом к зрительным клеткам присоединяются уже прослойки темного пигмента, имеющие часто форму чашечки или бокала. Такой вид имеют, например, глаза пиявок. Дальнейшее усложнение формы глаза мы встречаем в виде групп зрительных клеток, располагающихся не на поверхности эпидермиса, но несколько глубже. Это уже особые зрительные углубления или ямки. Подобный тип глаза присущ улиткам и морским звездам. Такой глаз способен уже, очевидно, различать и направление падающего на него света. Сужение входного отверстия и расширение внутреннего пространства, окруженного зрительными клетками, придает глазам форму пузырька, например, как у кольчатых червей На этом уровне развития глаза в некоторых случаях имеют возможность получать на слое светочувствительных клеток оптическое изображение находящихся перед глазами предметов. В упомянутых видах глаз светоощущающие концевые аппараты направлены навстречу попадающему в глаз свету, нервные же волокна идут от них в сторону, обращенную от падающего света. Такие глаза называются конвертированными. Бывает, однако, устройство глаз об-

13-1015

194

1 .пава IV 1 Гсихофизиология зрительно! о воснрият ия

1 Эволюция [.чача

195

ратного типа, когда светоощущающие концевые аппараты повернуты от света Свет, прежде чем упасть на них, должен в этом случае пройти сквозь слой нервных волокон, подходящих сзади к этим концевым аппаратам. Устроенные таким образом глаза называются инвертированными. Именно к этому типу глаз относится и глаз человека. Однако по своему эмбриональному происхождению глаз человека весьма существенно отличается от глаз беспозвоночных животных. В то время как у последних глаза развиваются из покровного эпителия (наружной эктодермы), глаз человека, как и глаз других позвоночных, образуется из нервной эктодермы, дающей начало и головному мозгу. В мозговом зачатке, в эмбриональной мозговой трубке, спереди образуются два выпячивания — глазные пузырьки, постепенно растущие в направлении поверхностных покровов, к кожной эктодерме. При соприкосновении с ней глазной пузырек начинает вдавливаться внутрь себя, образуя вторичный глазной пузырек. Внутрь этого вторичного глазного пузырька входит кожная эктодерма, давая здесь начало образованию передних частей глазного яблока (эпителию роговицы и конъюнктивы, хрусталику и пр.). Наиболее же важная часть глаза — сетчатая оболочка со зрительным нервом — развивается непосредственно из мозговой ткани — нервной эктодермы. Таким образом, есть полное основание считать наш глаз в буквальном смысле частью мозга, выдвинутой на периферию.

Об эволюции глаза мы узнаем, изучая ископаемые остатки животных, исследуя живущие виды, а также изучая быстротекущие стадии развития глаз в эмбриогенезе. Восприятие формы и цвета предполагает более сложное строение глаз и наличие мозга, который может интерпретировать нервные сигналы от оптических образов на сетчатке. Представления о том, как развился глаз, весьма противоречат дарвиновской теории эволюции, согласно которой развитие осуществляется при помощи естественного отбора. В эволюции не могло быть общего плана, предвидения того, что следует создавать формы, которые бесполезны в данный момент, но будут иметь значение, когда в достаточной мере разовьются другие структуры. Даже развитие человеческого глаза и мозга шло медленно, путем проб и ошибок.

Сложно организованные глаза часто бывают при простом мозге — глаза невероятной сложности можно найти у представителей допозво-ночных, обладающих крошечным мозгом. Сложные фасеточные глаза членистоногих (включая насекомых) содержат не одну линзу с сетчаткой, состоящей из многих тысяч или миллионов рецепторов, а большое число линз, в каждой из которых имеется один-единственный ре-цепторный элемент. Наиболее древние из всех ископаемых глаз принадлежат трилобитам (ископаемым членистоногим, которые жили

500 000 000 тет назад; эти наиболее ранние из сохранившихся ископаемых были обнаружены в каменных породах Кембрийского периода). У многих видов трилобитов были высокоразвитые фасеточные глаза, очень похожие на глаза современных насекомых: они содержали свыше тысячи фасеток.

Глаз насекомого состоит из множества отдельных фасеток. Позади каждой фасеточной линзы (роговичной) расположена вторая линза (цилиндрическая), сквозь которую проходит свет, достигая светочувствительного элемента, содержащего обычно семь клеток, сгруппированных в мельчайшую, похожую на цветок гроздь. Каждая законченная единица фасеточного глаза известна под названием «омматидий». Принято думать, что каждый омматидий представляет собой изолированный глаз — так что насекомые должны видеть тысячи миров, — однако трудно согласиться с тем, что это именно так, поскольку в каждом омматидий нет изолированной сетчатки, нет также и отдельных нервных волокон, идущих от каждой маленькой группы рецепторов. Каким образом тогда каждый отдельный сигнал может воссоздавать полное изображение? Безусловно то, что каждый омматидий сигнализирует о наличии света, направленного непосредственно на него, и что комбинация сигналов эффективно воспроизводит простые изображения.

Глаза насекомых имеют чрезвычайно любопытный механизм, обеспечивающий адаптацию к темноте или свету. Омматидий изолированы друг от друга темными конусами пигмента; при уменьшении света (или в ответ на сигнал, идущий из мозга) пигмент перемещается по направлению к рецепторам, так что свет может теперь проникать сквозь стенки каждого омматидия в соседние рецепторы. Это увеличивает чувствительность глаза, однако за счет уменьшения остроты зрения; подобный баланс обнаружен также и в глазах позвоночных, хотя он осуществляется совершенно иными механизмами.

Цилиндрическая линза фасеточного глаза функционирует не благодаря форме ее оптической поверхности, как обычная линза; ее принцип действия не связан с изменениями ее показателя преломления, который возрастает по мере приближения к центру линзы и убывает на ее периферии. Свет проходит сквозь нее совершенно иным путем, чем в обычной линзе. Фасеточные глаза являются специальными детекторами движения и могут быть чрезвычайно эффективными, как это известно из наблюдения за стрекозами, ловящими свою жертву на лету.

К числу наиболее необычных глаз, существующих в природе, принадлежат глаза Copiha — малоизвестных созданий величиной с оула-вочную головку. Самки этого животного имеют пару глаз, способных

13*

196

Глава IV 11сихофизиология зрительного восприятия

2 Глаз

197

создавать изображение и функционирующих иначе, чем глаза позвоночных и фасеточные глаза; принцип их действия аналогичен принципу действия телевизионной камеры. У каждого глаза по две линзы и система фоторецепторов, сходная с той, которая имеется в глазах насекомых, однако в глазах у Copilia существует громадное расстояние между роговичной и цилиндрической линзами. Большая часть глаза погружена в глубь тела животного, последнее же исключительно прозрачно. Рецептор (и прикрепленная к нему цилиндрическая линза) производит «непрерывные быстрые движения». Глаза раскачиваются, переходя за среднюю линию тела животного, и, очевидно, сканируют участки пространства, расположенного перед роговичной линзой. По-видимому, структуры из темных и светлых изображений не воспроизводятся одновременно с помощью многих рецепторов, как это происходит в других глазах, но последовательно передаются по зрительному нерву, как в одноканальной телевизионной камере. Не является ли глаз Copilia предком фасеточного глаза? Не потому ли принцип сканирования вообще отбрасывается в процессе эволюции, что одно зрительное волокно не может успешно передавать информацию? Является ли глаз, обнаруженный у ископаемого, упрощенным вариантом фасеточного глаза? Или, может быть, это неудачный эксперимент, не связанный с основным направлением эволюционного развития? При сканировании рецепторы двигаются сначала точно в направлении друг к другу, а затем — в разные стороны, но всегда совместно. Скорость сканирования варьирует от пяти движений в секунду до одного сканирующего движения за каждые две секунды. Было бы очень интересно узнать, почему это происходит и не являются ли эти глаза сохранившейся формой наиболее раннего типа глаз. Если даже Copilia является ошибкой эволюции, она заслуживает признания за оригинальность.

Наши глаза — это типичные глаза позвоночных, и они не самые сложные и не самые высокоорганизованные, хотя человеческий мозг — наиболее совершенный в животном мире.

2. Глаз

2.1. Строение глаза

Каждая часть глаза является в высшей степени специализированным образованием. Совершенство глаза как оптического инструмента свидетельствует о большом значении зрения в борьбе за существование.

Каждое глазное яблоко снабжено шестью внешними мышцами, которые поддерживают его в орбите в определенном положении, повора-

чивают его вслед за движущимся объектом или направляют взор, чтобы найти объекты. Глаза работают совместно, так что в нормальном состоянии они направляются на один и тот же объект, конвергируя при взгляде на близкие объекты. Помимо внешних глазных мышц, имеются также мышцы внутри глазного яблока. В глазу непрерывно выделяется и всасывается водянистая жидкость, которая обновляется приблизительно каждые четыре часа. «Пятна перед глазами» могут возникать вследствие плавания примесей в виде частиц, отбрасывающих тени на сетчатку, которые могут восприниматься как парящие в пространстве.

Вполне развившийся человеческий глаз представляет собой шарообразное тело, образуемое несколькими оболочками, помещающееся в особом полом пространстве черепа — глазнице. Не только части глаза удивительно тонко организованы — специализированы даже ткани глаза. Наружной оболочкой глазного яблока является твердая белковая оболочка — склера1. Эта белая, почти непрозрачная нерастягиваю-щаяся соединительнотканная оболочка обеспечивает глазу сохранение его формы и защищает внутренние части его от внешних воздействий. Толщина склеры — от 0,4 до 1,1 мм. В передней части глазного яблока склера переходит в более изогнутую и прозрачную роговую оболочку (cornea). Передняя часть ее состоит из эпителия, тождественного с эпителием соединительной оболочки глаза — конъюнктивы. Роговица — особая ткань, не снабжающаяся кровью. Ткань роговицы получает питание не с помощью кровеносных сосудов, а непосредственно из жидкой среды глаза (вследствие этого роговица достаточно изолирована от остального тела). Именно благодаря этому счастливому обстоятельству возможна пересадка роговицы от одного человека другому в случае помутнения роговицы, так как антитела не достигают и не разрушают ее, как это происходит с другими чужеродными тканями. Подобной системой особо организованных структур, полностью изолированных от кровеносных сосудов, является не только роговица. То же самое справедливо и по отношению к хрусталику: и в том, и в другом случае кровеносные сосуды могли бы нарушить оптические свойства этих структур.

Непосредственно под эпителием роговой оболочки находится особая бесструктурная, так называемая боуменова оболочка. Наибольшую часть роговой оболочки составляет слой основного вещества, состоящий из тонких соединительнотканных волокон, образующих как бы особые пластинки, расположенные параллельно поверхности рого-

1 Отгрсч sklcros — твердый Наружная плотная оболочка глаза

198

Глава IV Психофизиология зрительного восприятия

2 Глаз

199

вицы. Ближе к внутренней стороне роговицы в ней лежит еще эластичная прозрачная прослойка, носящая название демуровой, или дес-цеметовой оболочки, покрытая сзади одним слоем эндотелиальных клеток.

Под склерой находится сосудистая оболочка, состоящая, как показывает само название, из сети кровеносных сосудов, питающих глаз. Толщина ее доходит до 0,35 мм. У многих животных в сосудистой оболочке имеется еще блестящая прослойка, так называемый «ковер», дающая радужные рефлексы и вызывающая впечатление свечения глаза. Спереди сосудистая оболочка утолщается и переходит в ресничное тело и радужную оболочку.

Хрусталик. Часто думают, что хрусталик осуществляет преломление поступающих потоков света, необходимых для образования изображения. Это далеко не так в случае человеческого глаза, хотя и справедливо в отношении глаза рыбы. Место, где в глазу человека происходит наибольшее преломление света, необходимое для формирования изображения, — не хрусталик, а передняя поверхность роговицы. Это происходит потому, что способность хрусталика преломлять свет зависит от различия показателей преломления окружающей среды и субстрата, из которого состоит сам хрусталик. Показатель преломления окружающей среды — воздуха — низок, тогда как тот же показатель водянистой жидкости, непосредственно находящейся позади роговицы, приблизительно так же высок, как и у хрусталика. У рыбы эти величины близки, так как роговица погружена в воду и свет всегда, когда он поступает в глаз, уже сильно преломлен (в глазу рыбы имеется очень плотный малоподвижный хрусталик, сферический по форме, который в процессе аккомодации к далеким и близким объектам перемещается взад и вперед внутри глазного яблока). Хотя хрусталик не является критической структурой, необходимой для формирования изображения в глазу человека, он играет важную роль в аккомодации. Последняя осуществляется не путем изменения положения хрусталика (как у рыб или в камере), а с помощью изменения его формы. Радиус кривизны хрусталика уменьшается при взгляде на близкие предметы, при этом хрусталик преломляет лучи под большим углом, так что действие хрусталика добавляется к первоначальному преломлению света, осуществляемому роговицей. Хрусталик состоит из тонких слоев наподобие луковицы; он подвешен с помощью особой мембраны, которая поддерживает его в состоянии натяжения. Аккомодация осуществляется очень своеобразным способом. При взгляде на близко расположенные предметы мембрана уменьшает степень натяжения хрусталика, благодаря чему его форма сразу же становится более выпуклой; это ослабление натяжения достигается в результате

сокращения цилиарной мышцы. Таким образом, хрусталик становится более выпуклым при взгляде на близкие предметы с помощью удивительной системы — натягивающейся и не расслабляющейся мышцы.

Развитие хрусталика в эмбриональный и более поздние периоды представляет особый интерес и имеет важные последствия в зрелом возрасте. Хрусталик развивается из центра, клетки добавляются в течение всей жизни, хотя этот процесс с возрастом замедляется. Центр хрусталика является, таким образом, наиболее старой его частью, где клетки все более и более отделяются от кровеносной системы, поставляющей кислород и питательные вещества, и постепенно отмирают. Когда клетки отмирают, они затвердевают, так что хрусталик становится слишком плотным — неэластичным, чтобы изменять свою форму в процессе аккомодации при взгляде на различные расстояния. Как сказал Гордон Уоллс в своей известной книге «Глаз позвоночных»: «Хрусталик является, таким образом, единственным органом тела, где развитие никогда не прекращается».

Когда хрусталик изменяет свою форму, размер изображения меняется. Передняя поверхность хрусталика дает большое, но довольно неясное изображение, которое является правильным, в то время как задняя его поверхность дает маленькое перевернутое изображение. Это явление может быть продемонстрировано с помощью обычной ложки. При отражении предмета от задней выпуклой поверхности вы увидите большое правильное изображение, в то время как внутренняя вогнутая поверхность дает маленькое перевернутое изображение.

Радужная оболочка. Она представляет собой кольцеобразную мышцу, создающую зрачок, через который свет проникает в хрусталик, расположенный непосредственно позади зрачка. Эта мышца сокращается, чтобы уменьшить отверстие зрачка при ярком свете, а также в тех случаях, когда глаза конвергируют, чтобы увидеть близкие предметы. Другая мышца управляет фокусировкой хрусталика. Отверстие зрачка, имеющееся в середине радужной оболочки, играет в глазе роль диафрагмы, как в фотографическом аппарате. Благодаря действию мышц радужной оболочки отверстие зрачка может делаться уже или шире. Суживателем зрачка служит кольцевая мышца радужной оболочки, расширителем же — мышечные волокна, идущие в ней радиально. К сосудистой оболочке по всей внутренней стороне ее прилегает пигментный слой эпителиальных клеток, содержащий в себе темный пигмент — фусцин. Клетки эти имеют чаще всего форму шестигранных призмочек в поперечнике около 0,01 — 0,018 мм. За пигментным слоем находится самая внутренняя из оболочек глаза — сетчатая оболочка, или ретина. Радужная оболочка, составляющая перед-

200

Глава IV Психофизиоло! ия зрительного восприятия

2 Глаз

201

ний отдел сосудистого тракта, состоит из кровеносных сосудов, мышечных волокон и пигментных клеток. От количества последних и зависит «цвет» глаз.

Радужная оболочка пигментирована, в ней встречается широкий набор цветов. Окрашенный пигмент создает цвет глаз. Дело не в том, каков цвет радужки, а в том, что она должна быть достаточно светонепроницаемой, чтобы служить эффективной преградой перед хрусталиком. Глаза, лишенные пигмента (альбинизм), плохо приспособлены к яркому свету.

Радужная оболочка может осуществлять интенсивные сокращения, направляя узкий пучок света внутрь глаза, так чтобы луч проходил по краю радужки. Когда радужка несколько смыкается, луч частично перекрывается, и тогда сетчатка получает меньше света. Однако это является для радужной оболочки сигналом, чтобы раскрыться. Как только зрачок расширится, сетчатка получит больше света — и тогда радужка начнет закрываться, пока не получит вновь противоположный сигнал. Таким образом, происходят колебания в обе стороны. Измеряя частоту и амплитуду колебаний радужной оболочки, можно многое узнать о контролирующей ее нервной сервосистеме.

Зрачок. Он, разумеется, не имеет структуры. Это — отверстие, образованное радужной оболочкой, через которое свет проходит к хрусталику, а затем к сетчатке уже в качестве изображения. Человеческий зрачок круглый, однако существуют зрачки разнообразной формы, причем круглая форма принадлежит к числу довольно редких. По неизвестной причине глаза животных, ведущих ночной образ жизни, имеют щелевидные зрачки, что особенно явно у кошки. Иногда думают, что изменения размера зрачка являются важным механизмом, позволяющим глазу эффективно работать в широком диапазоне интенсивности света. Однако это вряд ли является главной функцией зрачка, так как его окружность изменяется только примерно в отношении 16:1, в то время как глаз работает эффективно в диапазоне яркости порядка 100 000:1. По-видимому, зрачок сокращается для того, чтобы ограничить поток света в центральную и оптически наилучшую часть; хрусталика; полное расширение зрачка необходимо для максимально* | го увеличения чувствительности глаза. Сокращение зрачка происходит также при взгляде на близкие предметы, что увеличивает глубину поля для этих предметов.

2.2. Адаптация к свету и темноте

Если глаз находится некоторое время в темноте, он становится более чувствительным, и данное освещение начинает казаться

более ярким. Эта темновая адаптация возникает в течение первых нескольких минут пребывания в темноте. Палочковые и колбочко-вые рецепторные клетки адаптируются с различной скоростью: адаптация колбочек завершается в пределах семи минут, в то время как адаптация палочек продолжается в течение часа или больше. Исследования показывают, что существуют две адаптационные кривые: одна — для палочек, другая — для колбочек. Можно сказать, что в глазу имеются две переплетающиеся друг с другом сетчатки.

В течение многих лет предполагалось, что адаптация является результатом регенерации зрительного пигмента, который выцветает при действии света; это «обесцвечивание» вызывает стимуляцию фоторецепторов, после чего электрический сигнал передается в зрительный нерв. Фотохимический родопсин был извлечен из глаза лягушки, и его плотность при воздействии света была измерена во время «обесцвечивания» и при регенерации. Эти данные были сопоставлены с кривыми темновой адаптации человеческого глаза и они почти совпали друг с другом. Это указывает на существование тесной связи между фотохимией родопсина и чувствительностью палочкового аппарата глаз. По-видимому, яркость ощущения должна быть связана с количеством фотохимического родопсина, «обесцвечиваемого» под воздействием света. Физиолог У. Раштон произвел измерение плотности фотохимического родопсина непосредственно в живом глазу во время темновой адаптации и во время воздействия какого-либо окрашенного света. Методика этого опыта заключалась в том, что предъявляли короткие вспышки света и с помощью высокочувствительного фотоэлемента измеряли количество света, отраженного от глаза. Сначала казалось невозможным сделать это с человеческим глазом, так мала масса отраженного света в связи с почти полной абсорбцией света фотохимическими элементами и черным пигментом расположенным позади рецептором, поэтому экспериментатор использовал глаз кошки; задний отражающий слой сетчатки служил зеркалом для отражения света на фотоэлемент. Этот метод оправдал себя в эксперименте на кошачьем глазе, и Р. Раштону затем удалось так его усовершенствовать, что он стал достаточно чувствительным, чтобы улавливать и измерять очень слабый свет, отражаемый от человеческого глаза. Он нашел, что по мере адаптации происходит «обесцвечивание» фотохимического вещества, причем отношение между энергией света и массой обесцвечиваемого фотохимического вещества выражается логарифмической зависимостью. Таким образом, был открыт механизм действия светочувствительного пигмента.

202

Глава IV Психофизиология зрительного иосприятия

2 Глаз

203

2.3. Влияние длительности раздражения

Для того, чтобы мы увидели свет, раздражение должно иметь определенную минимальную длительность. Поскольку глаз наш может видеть уже электрическую искру, эта продолжительность может быть, однако, ничтожно малой — порядка миллионных долей секунды.

Что же касается связи между интенсивностью раздражителя (Г) и продолжительностью его действия на глаз (t), то, принимая во внимание фотохимическую природу зрительного возбуждения, следует указать, что еще в конце XVIII в. швейцарский естествоиспытатель Жан Сенебье (1742—1809) высказал предположение, по которому для получения одного и того же фотохимического эффекта надо, чтобы между I и t существовала обратная пропорциональность. Чем сильнее раздражитель, тем он может быть короче, и, наоборот, чем он слабее, тем он должен быть продолжительнее. Эта зависимость нашла экспериментальное подтверждение в ряде фотохимических реакций и известна как закон Бунзена-Роско: I x t = A, где А есть некоторая постоянная.

Если бы в нашем глазе при воздействии на него света происходила только прямая фотохимическая реакция распада светоощущающего вещества, закон этот должен был бы вполне строго осуществляться и для нашего зрения. Мы знаем, однако, что, наряду с прямой фотохимической реакцией, в глазе происходит также реакция удаления продуктов распада из сетчатки и обратная реакция новообразования светоощущающего вещества.

Благодаря этому обстоятельству соотношение между интенсивностью и продолжительностью раздражителя для глаза оказывается более сложным. Эксперименты показали, что для очень коротких раздражителей порядка тысячных долей секунды величина произведения / х t, нужная для вызывания порогового ощущения, не остается постоянной, но вначале быстро убывает по мере увеличения t, дает для некоторого t минимальное значение и при дальнейшем увеличении вновь растет.

Согласно результатам экспериментов оптимальная длительность раздражения — от 1—3-тысячной долей секунды до 0,05 с. При раздражителях, более продолжительных, лежащих уже за минимумом, как показали опыты, Ixt = Io(a+t), где /обозначает освещенность зрачка, соответствующую пороговому раздражителю, h — пороговая освещенность зрачка при неограниченно длящемся раздражителе, t — продолжительность применяемого раздражителя (в секундах) и а — неко-

торую постоянную (равную 0,2 с, если /дается в фотах1). Это соотношение известно как закон Блонделя—Рея.

Минимальная продолжительность, при которой раздражитель впервые вызывает реакцию при условии, если раздражитель взят вдвое более интенсивным, чем тот, который является пороговым при неограниченном времени действия, называется хронаксией (хронаксия Лапика). Она является надежным показателем возбудимости исследуемой мышечной или нервной ткани. Связь силы порогового раздражителя / с продолжительностью его действия t может быть выражена формулой гиперболы: / = a/t + d, где and есть некоторые постоянные. Очевидно, / равняется пороговой интенсивности раздражителя при t = с; эта интенсивность в хронаксиметрическом методе называется реобазой.

Минимальное время действия светового раздражителя двойной интенсивности по сравнению с пороговым может быть условно названо оптической адекватной хронаксией. Величина эта в ходе темновой адаптации скорее возрастает в противоположность неизменно снижающейся величине порога (реобазе).

2.4. Влияние площади раздражения

Многочисленные опыты с несомненностью показывают, что при определении порога увеличение площади раздражения на сетчатке обычно позволяет уменьшать яркость раздражителя. Между яркостью порогового раздражителя и его угловым размером существует отношение взаимной компенсации. Было приложено немало усилий к тому, чтобы найти для этого отношения подходящее количественное выражение. Для небольших углов зрения произведение яркости порогового раздражителя В на его площадь 5 оказывается постоянным. Это соотношение известно в науке как закон Рикко. Однако при больших угловых размерах раздражителя закон Рикко не соблюдается, уступая место иной закономерности. Впервые установленная закономерность для периферического зрения известна как закон Пипера. Согласно ей, постоянным для порогового ощущения оказывается произведение яркости раздражителя на квадратный корень из величины его площади, т. е. B-fs = K, где К есть постоянная величина.

2.5. Контраст

Другим фактором, определяющим ощущение яркости, является интенсивность освещения окружающего поля. Данная поверхность обычно кажется более яркой, если окружение темное, а цвет воспри-

Фот — единица освещенности, в 10 000 раз большая, чем люкс

204

Глава IV Психофизиочошя зрите 1ыюго восприятия

2 Г паз

205

нимается как более интенсивный, если его окружает поле, окрашенное в дополнительный цвет. Этот факт, бесспорно, связан со взаимодействием рецепторов Усиление контраста, по-видимому, можно объяснить общим перцептивным фактором — влиянием границ на воспри-' ятие объекта. Вероятно, в первую очередь в мозг поступает информация именно о пограничных участках, в то время как области с постоянной освещенностью малоинформативны. Зрительная система экстраполирует информацию об объекте, заключенном в определенные границы, что, бесспорно, экономит большое количество информации, которое поступает от периферической части системы. Этот процесс известен как латеральное торможение. Несмотря на то, что явление контраста и усиления восприятия участков, окружающих объект, является главным образом результатом действия сетчаточных механизмов, оно определяется и центральными процессами. Контраст сильнее, когда зрительно фигура воспринимается состоящей из двух половин, а не как единое целое. Это указывает на участие в этом явлении центральных мозговых факторов.

Некоторое представление о сложности организации системы восприятия яркости у человека дает парадокс Г. Фехнера. Он заключается в следующем. Если глазу предъявляется маленький, довольно яркий источник света, он будет вызывать ощущение определенной яркости, и зрачок при включении этого источника света будет уменьшаться до определенного размера. Теперь добавим второй, более тусклый источник света. Он помещается несколько в стороне от первого, так, чтобы возбуждать другую область сетчатки. Что же при этом происходит ? Хотя общая интенсивность света с добавлением второго источника увеличивается, зрачок не сокращается, а расширяется соответственно разнице интенсивностей между первым и вторым раздражителем. Он реагирует не на общее, а на среднее освещение.

Попробуем закрыть один глаз и проследить изменение яркости. Практически нет разницы, воспринимается ли свет одним или двумя глазами. Однако это не так; когда маленькие тусклые источники света воспринимаются в окружающей темноте, тогда они кажутся значительно ярче при работе двух глаз, чем при работе одного. Пока нет достаточно ясного объяснения этого явления.

Яркость является наиболее простым из зрительных ощущений. Его нельзя описать. Для зрячих людей и животных картины мира создаются через яркость и цвет. Ощущение, возникающее при отсутствии света, есть ощущение темноты. Яркость не просто ощущение интенсивности света, раздражающего сетчатку. Ощущение яркости, возникающее при данной интенсивности, зависит от степени адаптации

глаза, а также от целого ряда различных сложных условий, определяющих явление контраста объектов или пятен света. Иными словами, яркость — это функция не только интенсивности света, попадающего на определенный участок сетчатки в данный момент, но также функция интенсивности света, который возбуждал сетчатку в недавнее время, как и функция интенсивности света, падающего на другие участки сетчатки.

Яркость — функция цвета. Когда глаз воспринимает лучи света различного цвета, но одной и той же интенсивности, то цвета, расположенные в середине спектра, кажутся ярче, чем цвета, расположенные на конце спектра. Кривая, описывающая это соотношение, известна как кривая спектральной яркости света. Это явление имеет практическое значение, так как, если мы хотим, чтобы сигнализирующий об опасности свет был ясно виден, он должен быть окрашен в цвет, к которому глаз максимально чувствителен — он должен быть расположенным в середине спектра. Кривые чувствительности для палочек и колбочек несколько различны. Они сходны по общему виду, однако колбочки более чувствительны к красному цвету, а палочки — к зеленому. Кривая яркости света отражает чувствительность к свету в зависимости от длины световой волны, но вне связи с теми цветами, которые видит глаз при каждой длине световой волны. Глаза животных, не имеющих цветного зрения, обнаруживают сходную с человеческой кривую спектральной яркости света. Можно предположить, что, помимо изменений, связанных с процессом адаптации к свету, при восприятии света действуют еще некоторые дополнительные механизмы, причем не фотохимической, а нервной природы. В частности, после завершения процесса адаптации глаза к темноте пространственные и временные характеристики остроты зрения ухудшаются, в то время как чувствительность возрастает. Однако при темновой адаптации утрачивается способность глаза различать мелкие детали. Это непростое явление, оно возникает отчасти вследствие того, что сетчатка интегрирует при этом энергию большей зоны, т.е. от большего числа рецепторных элементов. По ходу темновой адаптации увеличивается время, в течение которого может интегрироваться световая энергия, попадающая на сетчатку.

Изменения временных характеристик чувствительности глаза при темновой адаптации лучше всего, хотя и не в прямой форме, проявляются в явлении, известном под названием эффект маятника Пульфри-ха. Эффект можно наблюдать, только смотря обоими глазами. Возьмем полутораметровую нитку, прикрепим к ней гирьку. У нас получился маятник. Качнем маятник под прямым углом. Будем смотреть на колеблющуюся гирьку обоими глазами, но один глаз прикроем темным, слабо пропускающим свет стеклом. Благодаря этому можно уви-

206

Глава IV Психофизиология зрительного восприятия

2 Глаз

207

деть, что гирька качается не по прямой линии, а описывает эллипс, который может быть весьма странным: длинная ось может располагаться вдоль линии взора и, несмотря на это, будет казаться, что гирька, качаясь по прямой, пересекает эту линию.

Что же вызывает этот эффект? Уменьшая приток света, темное стекло вызывает в глазу процесс темновой адаптации. Адаптация приводит к задержке передачи сигнала от этого глаза к мозгу; другой глаз пока не участвует в этом процессе. Эта отсрочка ведет к тому, что затемненный глаз видит гирьку с некоторым запозданием, а так как ее движение в середине траектории ускоряется, отсрочка в этом месте оказывается более значительной, и глаз, прикрытый фильтром, видит гирьку все дальше и дальше от того места, где ее видит открытый глаз. Эта разница в восприятии положения гирьки и приводит к тому, что траектория ее движения кажется эллипсом, расположенным по прямой линии к линии взора; мозг оценивает движение гирьки как действительно происходящее по эллипсу. По-видимому, увеличение отсрочки при адаптации к темноте связано с увеличением времени интеграции возбуждения.

Как увеличение задержки передачи сигнала от сетчатки к мозгу, так и связанное с этим процессом увеличение времени интеграции возбуждения имеет практическое значение. Задержка сигналов сетчатки вызывает увеличение времени реакции.

2.6. Чувствительность глаза к свету

Нейрофизиологические опыты показали, что при увеличении интенсивности света учащаются импульсы, идущие от рецепторов сетчатки, причем интенсивность света выражается в частоте импульсов. Очень сложна регистрация электрической активности рецепторов глаза позвоночных, потому что у них сетчатка «вывернута наизнанку», так что электроды не могут достичь рецепторов без больших повреждений. К тому времени, когда импульсы достигают зрительного нерва, они усложняются, благодаря взаимосвязям нервных клеток, расположенных в различных слоях сетчатки.

Регистрируя нервные импульсы от зрительного нерва через разное время темновой адаптации, мы обнаружим, что их количество меняется. Если графически выразить соотношение между длительностью темновой адаптации и количеством нервных импульсов, отводимых от зрительного нерва, то окажется, что частота импульсов увеличивается, когда глаз находится в темноте более длительное время. Это соответствует нашему собственному ощущению увеличения яркости света после нахождения в темноте.

Что происходит, когда мы смотрим на источник очень слабого света в темной комнате? Можно было бы думать, что, если нет света, отсутствует и активность, передающаяся от сетчатки в мозг; когда появляется какой-нибудь свет, сетчатка сигнализирует о нем и мы его видим. Но опыты показывают, что все не так просто. При полном отсутствии света сетчатка и зрительный нерв не являются полностью инактивными. В них всегда имеется нервная активность, которая доходит до мозга, даже если отсутствует какая-либо стимуляция глаза светом. Об этом говорит непосредственная регистрация активности зрительного нерва глаза кошки, полностью адаптированного к темноте, и мы имеем все основания предположить, что это справедливо и по отношению к глазу человека и других животных.

Наличие постоянного фонового уровня спонтанной активности имеет большое значение. Глаз удивительно чувствителен, мы можем видеть вспышку света столь незначительную, что ее трудно зарегистрировать каким-либо искусственным прибором. Однако глаз был бы еще более чувствителен, если бы не было спонтанной активности зрительной системы, которая представляет собой постоянную проблему для мозга. Являются ли нервные импульсы, приходящие в мозг, результатом воздействия света на глаз или же это спонтанный « ш у м» зрительной системы? Проблема заключается в решении вопроса о том, отражает эта нервная активность внешнее раздражение или это только «шум», который следует игнорировать. Глаз использует некоторые приспособления, уменьшающие влияние «шума» и значительно повышающие длительность периода, в течение которого происходит интеграция сигнала.

Иногда мы видим вспышки, которых на самом деле нет. По-видимому, они появляются вследствие «шума», превосходящего некоторый уровень, но это случается нечасто. Определение уровня, выше которого активность оценивается как ответ на реальное воздействие, используется для оценки надежности данной чувствительной системы. Существуют доказательства того, что этот уровень может колебаться и зависит от «установки».

Абсолютный порог различения света также определяется наименьшим сигналом, который может быть надежно выделен из случайного «шума» зрительной системы, существующего и при отсутствии воздействия света на глаз. То, что сказано выше по поводу восприятия интенсивностей света, применимо к нервной системе в целом. Все это справедливо не только для различения интенсивностей света, но также и в отношении абсолютного порога различения света в темноте.

208

Глава IV. Психофизиология зрительного восприятия

'А Сетчатка

209

3. Сетчатка

Сетчатка является удивительной структурой, преобразующей свет в нервные сигналы. Она позволяет нам видеть в условиях тьмы и света, различать длины волн (что дает нам возможность видеть цвета), обеспечивает точность, достаточную, чтобы заметить соринку с расстояния в несколько метров.

3.1. Общая характеристика

Сетчатка — это часть мозга, отделившаяся от него на ранних стадиях развития, но связанная с ним посредством зрительного нерва. Сет- ■ чатка имеет форму пластинки толщиной приблизительно в 0,25 мм. Она состоит из трех слоев нервных клеток, разделенных двумя слоями синапсов, образованных аксонами и дендритами клеток.

Термин «сетчатка» происходит от латинского слова «ретина» (сетка, паутина) и объясняется наличием густой сети кровеносных сосудов, которые ее покрывают. Сетчатка — это тонкий слой взаимно связанных между собой нервных клеток, светочувствительных колбочек и палочек, которые превращают свет в электрические импульсы — язык нервной системы. Не всегда было очевидно, что сетчатка — это первая ступень зрительного пути. Греки думали, что сетчатка снабжает стекловидное тело питанием. Гален (II в. н.э.) впервые предположил, что сетчатка участвует в зрительных процессах, однако позже многие ученые приписывали эту функцию хрусталику. Арабские ученые средних веков, хранители классических знаний, рассматривали сетчатку в качестве проводника жизненных духов, или «пневмы».

Впервые определил действительную функцию сетчатки немецкий астроном И. Кеплер (1604), указав, что она является экраном, на котором создается изображение, преломляющееся в хрусталике. Эта гипотеза была экспериментально подтверждена другим немецким астрономом К. Шейнером (1625). Он удалил внешнюю оболочку (склеру и кровеносную оболочку глаза, расположенную между склерой и сетчаткой) глаза быка, оставляя сетчатку, которая представала перед ним в виде полупрозрачной пластинки. На ней К. Шейнер увидел маленькое перевернутое изображение.

Открытие фоторецепторов было сделано позднее. Только в 1835 г. фоторецепторы были впервые описаны немецким естествоиспытателем Г. Тревиранусом, хотя и недостаточно точно. По-видимому, его наблюдения были основаны на собственных предположениях, так как он сообщил, что фоторецепторы обращены к свету. У млекопитающих

и почти у всех позвоночных рецепторы находятся в заднем слое сетчатки, позади кровеносных сосудов. Это означает, что свет должен пройти через сеть кровеносных сосудов и тонкую сеть нервных волокон, включающих три слоя нервных клеток и множество соединительных клеток, прежде чем он достигнет фоторецепторов. Оптически сетчатка вывернута наизнанку. При таком расположении фоторецепторов в сетчатке, которое, видимо, является результатом ее закономерного эмбрионального развития из внешнего мозгового листка, нервные волокна располагаются на периферии и освобождают критическую, центральную часть сетчатки для лучшего видения.

Два места сетчатки заслуживают особого упоминания. Первое — это место вхождения зрительного нерва в глазное яблоко. На нем нет ни палочек, ни колбочек, и мы им ничего не видим. Поэтому оно и называется слепым пятном сетчатки. Слепое пятно имеет овальную форму с более длинным вертикальным диаметром. По горизонтали оно занимает около 1,3—1.8 мм, чему соответствует угол около 6—6,5°; на слепом пятне могут уместиться около 11 изображений полной луны. По горизонтальному меридиану от центральной ямки сетчатки слепое пятно занимает пространство приблизительно с 12 до 18°. В обыденной жизни мы не замечаем вызываемых слепым пятном пробелов в поле зрения, во-первых, в силу того, что изображение в другом глазе падает вне слепого пятна, и, во-вторых, в силу невольного заполнения этих пробелов образами соседних частей поля зрения.

Второе особое место на сетчатке — это желтое пятно, или фовеа. Число палочек и колбочек различно в разных частях сетчатки: в самом центре, где возможность зрения различать тонкие детали максимальна, имеются только колбочки. Это и есть желтое пятно. Это место наиболее ясного видения; оно располагается ближе к виску и вверх от места вхождения зрительного нерва — слепого пятна. Желтое пятно заполнено по преимуществу колбочками. Желтое пятно имеет удлиненную по горизонтали, овальную форму; наибольший диаметр желтого пятна определяется разными учеными по-разному (от 2,9 до 0,6 мм). В середине желтого пятна в сетчатке имеется углубление. Диаметр его — около 0,4 мм или в угловых величинах около 1,7°. Эту лишенную палочек зону длиной примерно полмиллиметра называют центральной ямкой. В ней обнаружены только колбочки, причем здесь они расположены очень тесно друг к другу и имеют более тонкую и удлиненную форму, делающую их морфологически похожими на палочки. Отличие заключается в том, что в их наружных члениках отсутствует зрительный пурпур. Диаметр внутреннего членика фове-альной колбочки равняется, по определениям разных авторов, от 0,0015 до 0,0035 мм, длина же доходит до 0,1 мм. На месте централь-

14-1015

210

Глава [V Психофизиология зрительно!о восприятия

3 Сетчатка

211

ной ямки сетчатка делается значительно тоньше (около 0,1— 0,08 мм) за счет сокращения прочих сетчаточных слоев, сводящихся здесь главным образом лишь к слою колбочек. В области центральной ямки каждая колбочка соединена с отдельной биполярной клеткой и, может быть, с отдельной ганглиозной клеткой.

Слой клеток на задней поверхности сетчатки содержит светочувствительные рецепторы — палочки и колбочки. Палочек значительно больше, чем колбочек. Они ответственны за наше зрение при слабом свете и отключаются при ярком освещении. Колбочки не реагируют на слабый свет. Они ответственны за способность видеть тонкие детали и за цветовое зрение.

Два вида светочувствительных клеток — палочки и колбочки — названы так в соответствии с их видом под микроскопом. В периферических отделах сетчатки они четко различимы, однако в центральной области фоторецепторы расположены чрезвычайно плотно и имеют вид палочек. У человека колбочки функционируют в условиях дневного света и являются аппаратом цветного зрения. Палочки функционируют при слабом освещении и обеспечивают только восприятие оттенков серого. Дневное зрение, осуществляемое с помощью колбочко-вого аппарата сетчатки, обозначается как «фотопическое», в то время как восприятие оттенков серого палочковым аппаратом при тусклом освещении называется «скотопическим».

Каким образом стало известно, что у человека и некоторых животных колбочки и только колбочки обеспечивают цветное зрение? К та-| кому выводу пришли отчасти на основании изучения глаз различным животных и сопоставления структуры сетчатки со способностью этик животных различать цвета, что устанавливается в результате изуче-г ния их поведения; этот вывод был сделан также из того факта, что на периферии сетчатки человеческого глаза очень мало колбочек, щ именно эта область сетчатки не различает цветов. Интересно, чт<У хотя центральная фовеальная область сетчатки, где колбочки распоч ложены особенно плотно, дает наилучшее зрительное восприятие д&* талей и цветов, она оказывается менее чувствительной, чем периферическая часть, которая заполнена более примитивными палочками (астрономы предпочитают пользоваться не центральной, а периферической частью сетчатки при наблюдении самых отдаленных звезд; делая так, они стараются, чтобы изображение попадало на ту область сетчатки, которая богата палочками).

Можно сказать, что, двигаясь от центра человеческой сетчатки к периферии, мы оказываемся на более ранних этапах эволюции, переходя от наиболее высоко организованных структур к примитивному глазу, который различает лишь простое движение теней. Края челове-

ческой сетчатки не дают даже зрительного ощущения; когда они стимулируются движущимся объектом, они вызывают только рефлекторный поворот глаз к этому объекту, после чего глаз воспринимает его наиболее высокоорганизованной частью сетчатки.

Размеры фоторецепторов и плотность их расположения являются важным фактором, определяющим способность глаза различать мелкие детали. Центральная область сетчатки, где колбочки приблизительно одинаковой ширины, равна примерно 100 мкм1 в поперечнике. Она содержит приблизительно по 50 колбочек в ряду. Эта область по форме похожа на эллипс, причем длинная ось его расположена горизонтально и содержит около 2000 колбочек. Размеры каждой из этих колбочек равны в среднем 24". Размеры элементов на сетчатке различны, однако самые большие центральные элементы вряд ли больше 20" или даже меньше. Самых маленьких клеток, т.е. наименьших функциональных рецепторных единиц, очень немного, порядка одного-двух десятков. Размер этих единиц включает и оболочки, отделяющие соседние колбочки друг от друга.

Стоит попытаться представить себе размеры фоторецепторов. Самые маленькие из них величиной в 1 мкм, что равно приблизительно двойной длине волны красного света. Вряд ли можно рассчитывать на более тонкую организацию глаза, чем эта. И все же острота зрения ястреба в четыре раза выше, чем острота зрения человека.

Светочувствительный пигмент сетчатки под влиянием яркого света обесцвечивается; и это обесцвечивание стимулирует нервные волокна; для того, чтобы фотохимические процессы вернулись в исходное состояние, требуется некоторое время. Когда в определенной области сетчатки светочувствительный пигмент «обесцвечивается», то она (эта область) становится менее чувствительной, чем окружающие ее отделы. Это и приводит к появлению последовательных образов. Когда глаз адаптировался к яркому свету (например, при пристальном взгляде на яркую лампу или особенно — на фотографическую вспышку), возникает темный, парящий в пространстве контур такой же формы, как и вызвавший его источник света. Этот образ будет темным, если смотреть на освещенную поверхность, например стену, но если находиться в темноте, тогда в течение нескольких первых секунд после вспышки он будет казаться ярким. Это явление называется положительным последовательным образом, оно свидетельствует о наличии продолжающегося возбуждения сетчатки и зрительного нерва после стимуляции. Темный образ называется отрицатель-

Отгрсч mikion — малое, единица длины, равная 10 ьм

14*

212

Глава IV Психофизиология зрительного восприятия

3 Сетчатка

213

ным последовательным образом и является результатом снижения чувствительности освещенной части сетчатки вследствие обесцвечивания светочувствительного пигмента.

Поскольку палочки и колбочки расположены на задней поверхности сетчатки, поступающий свет должен пройти через два других слоя, чтобы воздействовать на них. Неизвестно, почему сетчатка устроена так странно — она инвертирована, так что палочки и колбочки как бы рассматривают заднюю стенку глазного яблока. Одна из вероятных причин в том, что позади рецепторов находится слой клеток, содержащих черный пигмент меланин. Меланин поглощает свет, прошедший через сетчатку, и не дает ему отражаться назад и рассеиваться внутри глаза; он играет ту же роль, что и черная окраска внутренних стенок фотокамеры. Клетки, содержащие меланин, способствуют также химическому восстановлению светочувствительного зрительного пигмента, который обесцвечивается на свету. Для выполнения обеих функций нужно, чтобы меланин находился поблизости от рецепторов. Если бы рецепторы лежали впереди, пигментные клетки должны были бы располагаться между ними и следующим слоем нервных клеток, в области, уже заполненной аксонами, дендритами и синапсами.

Слои клеток, находящихся на пути света к рецепторам, достаточно прозрачны и, по-видимому, не сильно вредят четкости изображения. Однако в центральной ямке, где наше зрение наиболее остро, последствия уменьшения четкости были бы катастрофическими, и эволюция, видимо, «постаралась» смягчить их — сместила другие слои к периферии, образовав здесь кольцо утолщенной сетчатки и обнажив центральные колбочки так, что они оказались на самой поверхности. Образующееся маленькое углубление и есть центральная ямка.

Двигаясь от заднего слоя к переднему, мы попадаем в средний слой сетчатки, расположенный между палочками и колбочками, с одной стороны, и ганглиозными клетками — с другой. Этот слой содержит нейроны трех видов: биполярные, горизонтальные и амакри-новые клетки. Биполярные клетки имеют входы от рецепторов и многие из них передают сигналы непосредственно ганглиозным клеткам. Горизонтальные клетки соединяют рецепторы и биполярные клетки связями, идущими параллельно сетчаточным слоям; амакриновые клетки связывают биполярные клетки с ганглиозными.

Слой нейронов на передней стороне сетчатки содержит ганглиоз-ные клетки, аксоны которых проходят по поверхности сетчатки, собираются в пучок, образуют на выходе слепое пятно на сетчатке, лишенное рецепторов, и покидают глаз. Аксоны ганглиозных клеток формируют зрительный нерв. В каждой сетчатке около 125 миллионов пало-

чек и колбочек, но всего 1 миллион ганглиозных клеток. Ввиду такого различия возникает вопрос: каким образом может сохраняться и обрабатываться детальная зрительная информация?

Изучение связей между клетками сетчатки может помочь разрешить проблему. Можно представить себе два пути информационного потока через сетчатку: прямой путь, идущий от фоторецепторов к биполярным и далее к ганглиозным клеткам, и непрямой путь, при котором между рецепторами и биполярами могут быть включены еще горизонтальные клетки, а между биполярами и ганглиозными клетками — амакриновые клетки. Эти связи уже были весьма обстоятельно изучены С. Рамон-и-Кахалем (1900). Прямой путь весьма специфичен, или компактен, в том смысле, что одна биполярная клетка имеет входы лишь от одного рецептора или от сравнительно небольшого их числа, одна ганглиозная клетка — от одного или сравнительно немногих биполяров. Непрямой путь более диффузен, или «размыт», благодаря более широким боковым связям. Общая площадь, занятая рецепторами, связанными с одной ганглиозной клеткой по прямому и непрямому путям, составляет всего около миллиметра. Эта зона является рецептивным полем ганглиозной клетки — областью сетчатки, световая стимуляция которой может влиять на импульсацию данной ганглиозной клетки.

Эта общая схема верна для всей сетчатки, но в деталях связей имеются различия между центральной ямкой, куда проецируется направление и где наша способность видеть тонкие детали максимальна, и периферией сетчатки, где острота зрения резко снижается. При переходе от центра к периферии сеть прямых путей от рецепторов к ганглиозным клеткам становится совершенно иной. В центральной ямке или около нее, как правило, одна колбочка связана с одной биполярной клеткой, а один биполяр — с одной ганглиозной клеткой. Однако по мере постепенного перемещения к внешним областям все больше рецепторов конвергируют на биполярах, а биполяров — на ганглиозных клетках. Эта высокая степень конвергенции, которую мы видим в большей части сетчатки, вместе с весьма компактными путями в самом центре и около него позволяют понять, почему, несмотря на отношение 125 к 1 между числом рецепторов и числом волокон зрительного нерва, некоторая часть сетчатки (ее центр) может все-таки обеспечивать острое зрение. Общая схема сетчаточ-ных путей с их прямым и непрямым компонентами была известна многие годы, а их связь с остротой зрения поняли задолго до того, как удалось выяснить роль непрямого пути. Ее понимание внезапно стало возможным, когда начали изучать физиологию ганглиозных клеток.

214

Глава IV. Психофизиология зрительного восприятия

3 Сетчатка

215

3.2. Фоторецепторы

Прошло много лет, прежде чем был достигнут существенный прогресс в физиологии рецепторов, биполяров, горизонтальных и ама-криновых клеток. Для этого было достаточно причин: пульсация сосудов постоянно мешала попыткам удерживать микроэлектрод в одиночной клетке или рядом с ней; рецепторы, биполяры и горизонтальные клетки не генерируют импульсов, поэтому регистрация намного меньших градуальных потенциалов требует применения внутриклеточных методик; трудно с уверенностью сказать, в клетке какого типа (или рядом с какой клеткой) находится электрод. Некоторые из этих затруднений можно преодолеть надлежащим выбором животного; например, сетчатки холоднокровных позвоночных способны выживать, будучи извлечены из глаза и погружены в солевой раствор, насыщенный кислородом, и при этом отсутствие кровообращения исключает пульсацию артерий; у протея1 очень большие клетки, их активность легко регистрировать; рыбы, лягушки, черепахи, кролики и кошки — все эти животные имеют свои преимущества при исследованиях того или иного типа, поэтому при изучении физиологии сетчатки использовались разные виды. Трудность при работе с таким большим числом видов состоит в том, что детали организации сетчатки могут заметно различаться у разных животных. Кроме того, наши представления о сетчатке приматов, реакции которой трудно регистрировать, до недавнего времени в значительной мере основывались на результатах, полученных на других видах. Однако по мере преодоления технических трудностей ускоряется и прогресс исследований на приматах.

В последние годы изучение реакции палочек и колбочек на свет сильно продвинулось вперед. Палочки и колбочки различаются многими свойствами, например палочки чувствительны к очень слабому свету, колбочки требуют намного более яркого освещения. Как палочки, так и колбочки содержат светочувствительные пигменты. В палочках пигмент один и тот же; колбочки делятся на три типа, каждый со своим особым зрительным пигментом. Все виды пигмента чувствительны к различным длинам световых волн (у колбочек эти различия составляют основу цветового зрения).

Когда свет падает на некоторый объект, он может поглощаться, а энергия его превращаться в тепло, например, когда объект нагревается на солнце. Свет может проходить сквозь объект, если, например, на пути солнечных лучей окажется вода или стекло. Свет может отра-

Род крупных саламандр

жаться от зеркала или любого светлого предмета. Отраженный зеленый свет будет иметь выраженный максимум на средних длинах волн (в области зеленого цвета). Красный — в области длинных волн.

Вещество, которое поглощает часть падающего на него света и отражает остальную часть, называют пигментом. Если какие-то спектральные компоненты в диапазоне видимого света поглощаются лучше, чем другие, то предмет представляется нам окрашенным. Сразу же добавим: какой именно цвет мы будем видеть — зависит не только от длины волны, но также от распределения между разными участками спектра и от свойств нашей зрительной системы. Эти явления объяснимы как с точки зрения физики, так и биологии.

Каждая палочка или колбочка в нашей сетчатке содержит пигмент, поглощающий свет в каком-то участке спектра лучше, чем в других участках. Поэтому, если бы мы смогли собрать достаточное количество такого пигмента и посмотреть на него, он выглядел бы окрашенным. Зрительный пигмент обладает особым свойством: при поглощении им светового фотона он изменяет свою молекулярную форму и при этом высвобождает энергию, запуская таким образом цепь химических реакций, которые в конце концов приводят к появлению электрического сигнала и к выделению химического медиатора в синапсе. Пигментная молекула в своей новой форме, как правило, обладает совсем иными светопоглощающими свойствами, и если, как это обычно бывает, она поглощает свет хуже, чем в исходной форме, мы говорим, что она «выцветает» под действием света. Затем сложный химический механизм глаза восстанавливает первоначальную конфигурацию пигмента; в противном случае его запас быстро истощился бы.

Сетчатка содержит своего рода мозаику из рецепторов четырех типов — палочек и трех типов колбочек. Каждый тип рецепторов содержит свой особый пигмент. Разные пигменты отличаются друг от друга в химическом отношении, а в связи с этим и по способности поглощать свет с различной длиной волн. Палочки ответственны за нашу способность видеть при слабом свете, т.е. за сравнительно грубую разновидность зрения, не позволяющую различать цвета. Палочковый пигмент родопсин обладает наибольшей чувствительностью в области около 510 нм, в зеленой части спектра.

Пигменты колбочек трех типов имеют пики поглощения в области 430, 530 и 560 нм, поэтому разные колбочки условно называют «синими», «зелеными» и «красными». На самом деле монохроматический свет с длинами волн 430, 530 и 560 нм будет не синим, зеленым и красным, а фиолетовым, сине-зеленым и желто-зеленым. Если бы можно было стимулировать колбочки только одного типа, мы видели бы не синий, зеленый и красный цвета, а, вероятно, фиолетовый, зеле-

216

Глава IV Психофизиология зрительного восприятия

3 Сетчатка

217

ный и желтовато-зеленый. Однако приведенные выше названия колбочек широко распространены и попытки изменить укоренившуюся терминологию обычно заканчиваются неудачей. Имея максимум поглощения в зеленой области, палочковый пигмент родопсин отражает синие и красные лучи и поэтому выглядит пурпурным. Поскольку в наших сетчатках он присутствует в количествах, достаточных для того, чтобы химики смогли его выделить, он издавна получил название зрительного пурпура.

Три типа колбочек имеют широкие зоны чувствительности со значительным перекрыванием, особенно для красных и зеленых колбочек. Свет с длиной волны 600 нм вызовет наибольшую реакцию красных колбочек, пик чувствительности которых расположен при 560 нм; вероятно, он вызовет также вторую, хотя и более слабую, реакцию колбочек двух других типов. Таким образом, «красная» колбочка реагирует не только на длинноволновый, т.е. «красный» свет — просто она реагирует на него лучше других колбочек. Сказанное относится и к колбочкам остальных типов.

Под воздействием света в рецепторах происходит процесс, названный выцветанием. В этом процессе молекула зрительного пигмента поглощает фотон — единичный квант видимого света — и это приводит к ее химическому превращению в другое соединение, хуже поглощающее свет или, быть может, чувствительное к другим длинам волн. Практически у всех животных, от насекомых до человека, и даже у некоторых бактерий этот рецепторный пигмент состоит из белка, к которому присоединена небольшая молекула, близкая по структуре витамину А — она и представляет собой химически трансформируемую часть молекулы пигмента. Благодаря биохимическим исследованиям, стало больше известно о механизме выцветания и последующего восстановления зрительных пигментов.

Большинство обычных сенсорных рецепторов — химических, температурных или механических — деполяризуется в ответ на соответствующий стимул, т.е. они реагируют на возбуждающий стимул так же, как обычные нейроны; деполяризация ведет к высвобождению медиатора из аксонных окончаний. Часто, как и в случае зрительных рецепторов, это не приводит к возникновению импульсов, вероятно, из-за очень малой длины аксона. У беспозвоночных (от усоногих раков до насекомых) световые рецепторы ведут себя таким же образом, и предполагалось, что аналогичный механизм — деполяризация под влиянием света — действует также в палочках и колбочках позвоночных.

Японский нейрофизиолог Ц. Томита (1964) впервые зарегистрировал электрическую активность колбочки сетчатки рыбы в условиях разного уровня освещения. Для этого он применил внутриклеточные

микроэлектроды. Потенциал покоя рецептора оказался равным примерно -50 мВ. Выяснилось, что в темноте фоторецепторы позвоночных имеют более низкий мембранный потенциал, чем обычные нервные клетки в состоянии покоя. В противоположность ожидаемому, при освещении сетчатки мембрана гиперполяризовалась и потенциал возрастал. Свет, повышая потенциал на мембране рецепторной клетки (т.е. гиперполяризуя ее), уменьшает выделение медиатора. Оказалось, что стимуляция выключает рецепторы. Отсутствие стимуляции (темнота) приводит к активации рецепторов, они деполяризуются, а деполяризация вызывает непрерывное высвобождение медиатора из окончаний аксонов (в точности так, как это происходит при стимуляции обычных рецепторов). Открытие Ц. Томита дает возможность понять и объяснить, почему волокна зрительного нерва у позвоночных высоко активны в темноте: спонтанную активность проявляют именно рецепторы, а биполярные и ганглиозные клетки участвуют в переработке сигналов, поступающих от рецепторных клеток.

Главные задачи дальнейших исследований заключались в том, чтобы выяснить, как свет вызывает гиперполяризацию рецептора и каким образом выцветание всего одной молекулы зрительного пигмента под действием одного фотона может привести в палочке к измеримому изменению мембранного потенциала. В настоящее время оба процесса достаточно хорошо изучены и поняты. Гиперполяризация на свету вызывается перекрытием потока ионов. В темноте часть рецепторной мембраны более проницаема для ионов натрия, чем остальная часть мембраны. По-видимому, ионы натрия непрерывно входят здесь в клетку, а где-то в другом месте ионы калия выходят наружу. Он вызывает деполяризацию покоящегося рецептора и тем самым — его постоянную активность. В результате выцветания зрительного пигмента на свету поры для натрия закрываются, темновой ток уменьшается и степень деполяризации мембраны становится меньше — клетка гиперполяризуется и ее активность ослабевает.

В настоящее время, благодаря биофизическим исследованиям, намного больше стало известно о связи между выцветанием пигмента и закрытием натриевых каналов. Например, установлено, как выцветание единственной молекулы пигмента может привести к закрытию миллионов пор, что необходимо для наблюдаемых изменений потенциала. В настоящее время выяснилось, что поры в рецепторе открываются с помощью молекул вещества — циклического гуанозинмоно-фосфата (цГМФ). Выцветание молекулы зрительного пигмента приводит к целому каскаду событий. Белковая часть обесцвеченной молекулы пигмента активирует большое число молекул фермента трансдуцина, а каждая из них в свою очередь инактивирует сотни мо-

218

Глава IV. Психофизиология зрительного восприятия

3. Сетчатка

219

лекул цГМФ, обычно участвующих в открытии пор. Так, в результате выцветания одной молекулы пигмента закрываются миллионы пор.

Эти открытия позволяют объяснить ряд явлений, казавшихся загадочными: во-первых, стало понятно, почему человек, адаптировавшийся к полной темноте, способен увидеть такую слабую вспышку света, при которой ни один рецептор не может получить более одного фотона. Расчеты показали, что для ощущения вспышки нужно, чтобы в короткий промежуток времени световой стимуляции подверглись около шести близко расположенных палочек. Становится понятно, как одиночный фотон может возбудить палочку и заставить ее генерировать сигнал достаточной силы.

Во-вторых, теперь можно объяснить, почему палочки не могут реагировать на изменения освещенности при ее достаточно высоком фоновом уровне. Опыты показывают, что чувствительность палочек столь высока, что при сильной освещенности (например, при солнечном свете) все натриевые поры закрыты, и дальнейшее усиление света не может дать никакого дополнительного эффекта. Это и есть явление насыщения палочки.

3.3. Биполярные и горизонтальные клетки

Горизонтальные и биполярные клетки вместе с амакриновыми клетками расположены в среднем слое сетчатки. Биполярные клетки занимают в сетчатке стратегическую позицию, поскольку все сигналы, возникающие в рецепторе и поступающие к ганглиозным клеткам, должны пройти через них. Это означает, что они входят в состав как прямых, так и непрямых путей. В отличие от этого горизонтальные клетки входят только в непрямые пути. Горизонтальные клетки встречаются намного реже биполярных, которые в целом преобладают в среднем слое.

Биполярная клетка посылает по направлению к рецепторам единственный дендрит. Он либо образует синапс с одним рецептором (всегда с колбочкой), либо расщепляется на веточки, синаптически контактирующие с несколькими рецепторами. Если с одним биполя-ром связаны два или более рецепторов, они совместно занимают сравнительно малый участок сетчатки. Возникает вопрос: каковы синапсы между рецепторами и биполярными клетками — возбуждающие они, тормозные или обоих типов?

Биполярные клетки, подобно рецепторам и горизонтальным клеткам, не генерируют импульсов, но здесь будут рассматриваться ои-от-веты (реакция активации на включение стимула), подразумевая деполяризацию в ответ на световой стимул и соответственно усиление вы-

деления медиатора в выходных синапсах, и off-ответы (реакция активации на выключение стимула), подразумевая гиперполяризацию и уменьшение выброса медиатора. Что касается входных синапсов, передающих биполярам сигналы от рецепторов, то у биполяров с off-ответами они должны быть возбуждающими, поскольку сами рецепторы выключаются (гиперполяризуются) светом; у биполяров с ои-отве-тами входные синапсы должны быть тормозными. Чтобы понять, почему это так, следует лишь представить себе влияние малого светового пятна. Рецепторы активны в темноте, а свет вызывает гиперполяризацию и уменьшает их активность. Если синапс возбуждающий, то рецептор активируется в темноте, а инактивируется на свету; если же синапс тормозный, биполяр в темноте тормозится, а свет, выключая рецептор, снимает это торможение, т.е. биполярная клетка активируется (это действительно нелегко сразу понять).

Является ли рецепторно-биполярный синапс возбуждающим или тормозным, зависит либо от выделяемого рецептором медиатора, либо от типа каналов в постсинаптической мембране биполярной клетки. В настоящее время есть много данных в пользу того, что биполяры двух типов имеют различные рецепторы.

Горизонтальные клетки важны потому, что они составляют ту часть непрямого пути, о которой больше всего известно. Это крупные клетки, и в нервной системе они принадлежат к числу самых странных. Их отростки тесно контактируют с окончаниями многих фоторецепторов, распределенных по площади, размеры которой велики по сравнению с участком, непосредственно связанным с одиночной биполярной клеткой. Каждый рецептор контактирует с обоими типами клеток второго порядка — биполярными и горизонтальными. Имеется несколько подтипов горизонтальных клеток, которые могут сильно различаться у разных животных; их самое необычное свойство, общее с амакриновыми клетками, — это отсутствие типичного аксона. Каким образом нейрон без аксона будет передавать информацию другим нейронам? Когда начали использовать в нейроанатомии электронный микроскоп, то выяснили, что дендриты могут образовывать синапсы на других нейронах, обычно на их дендритах. И наоборот, иногда окончания аксонов могут быть постсинаптическими структурами по отношению к другим аксонам, которые на них оканчиваются. Отростки, отходящие от тел горизонтальных и амакриновых клеток, могут выполнять функции как аксонов, так и дендритов.

Своеобразны и синапсы, образуемые горизонтальными клетками с рецепторами: у них отсутствуют электронно-микроскопические признаки, обычно указывающие, в каком направлении передаются сигналы. Есть высокая вероятность того, что это синапсы с бидирекцио-

220

I лава IV Психофизиология зрительного восприятия

3. Сетчатка

221

нальной передачей. Ясно, что рецепторы доставляют информацию горизонтальным клеткам через возбуждающие синапсы, поскольку в большинстве случаев горизонтальные клетки, подобно рецепторам, гиперполяризуются (выключаются) светом. Не совсем понятно, куда эти клетки посылают свои выходные сигналы. Известно, что у некоторых животных, например, у черепах, они передают информацию обратно рецепторам; у других видов они образуют синапсы с дендрита-ми биполярных клеток и, несомненно, передают им информацию; о приматах нет каких-либо конкретных сведений. Горизонтальные клетки получают входные сигналы от рецепторов; их выход пока точно неизвестен, но он направлен или к рецепторам, или к биполярным клеткам, или к тем и другим.

То, что рецепторы передают горизонтальным клеткам информацию с относительно обширного участка сетчатки, означает, что рецептивные поля этих клеток должны быть большими. Опыты это подтвердили: величина их полей примерно соответствует размерам рецептивных полей биполярных или ганглиозных клеток, включая центр вместе с периферией. Они однородны, и освещение их в любом месте вызывает гиперполяризацию, которая тем сильнее, чем ярче световое пятно. Многие данные указывают на то, что горизонтальные клетки ответственны за периферию рецептивных полей биполярных клеток; кандидатов на эту роль, в сущности, нет, поскольку это единственные клетки, связанные с рецепторами на столь обширном пространстве. Там, где горизонтальные клетки непосредственно контактируют с биполярами, синапсы, передающие информацию ои-биполя-рам, должны быть возбуждающими (ввиду тормозящего влияния на периферию), а к о//-биполярам — тормозными. Если же влияние осуществляется через рецепторы, синапсы должны быть тормозными.

3.4. Амакриновые клетки

Эти клетки удивительно разнообразны по форме и используют необычно большое число нейромедиаторов (идентифицировано более двадцати). Амакриновые клетки имеют ряд особенностей. Их тела расположены в среднем слое сетчатки, а отростки — в синаптической зоне, которая следует за этим слоем. Они образуют связи с биполярными и с ганглиозными клетками и таким образом создают между ними альтернативный, непрямой путь. И, наконец, у них нет аксонов, но зато их- дендриты способны к образованию пресинаптических окончаний на других клетках.

Амакриновые клетки выполняют много различных функций, большей частью неизвестных. Один их тип, по-видимому, участвует в спе-

цифических реакциях на движущиеся объекты (эти клетки обнаружены в сетчатке лягушки и кролика); другой тип участвует в создании пути, связывающего ганглиозные клетки с теми биполярами, которые имеют входы от палочек. Нет данных об участии амакриновых клеток в организации центра и периферии рецептивных полей ганглиозных клеток, но нельзя полностью исключить такую возможность. Функции большинства их форм остаются невыясненными: можно сказать, что анатомические сведения об амакриновых клетках значительно богаче физиологических.

3.5. Биполярные и ганглиозные клетки

В 1976 г. удалось зарегистрировать реакции ганглиозных клеток кошки. Они были идентифицированы как клетки с on- или off-ответа-ми, затем через микроэлектрод ввели вещество, окрашивающее все дендритное дерево. Сравнив разветвления дендритов у клеток двух типов, исследователи увидели четкое различие: две совокупности дендритов оканчивались на двух отдельных субслоях в пределах синаптической зоны между средним слоем и слоем ганглиозных клеток. Дендриты клеток с о//-ответом всегда оканчивались ближе к среднему слою сетчатки, а дендриты клеток с ои-ответом — дальше от него. К тому времени уже было доказано, что биполярные клетки двух классов, образующие с рецепторами синапсы разной формы, отличаются также и расположением своих аксонных окончаний: у одних аксоны оканчиваются там, где кончаются дендриты ганглиозных клеток с ои-центром, а у других — там, где кончаются дендриты клеток с off-ответом. Таким образом, стало возможным реконструировать весь путь от рецепторов к ганглиозным клеткам для обеих систем — с on- и с о//-ответами. В результате был установлен неожиданный факт: на прямом пути именно система с о//-ответами имеет возуждающие синапсы на каждом уровне — от рецепторов к биполярам и от биполяров к ганглиозным клеткам, тогда как в системе с on-ответами синапсы между рецепторами и биполярами тормозные.

Разделение биполярных и гаглиозных клеток на категории с on- и о//"-ответами наверняка должно иметь свои корреляты в восприятии. Клетки с о//-ответом отвечают на темное пятно точно таким же образом, как клетки с оп-центром — на светлое пятно. Темнота так же реальна, как свет, и теперь мы находим биологическую основу этой реальности.

Во многих сенсорных системах используются оппонентные пары: тепло — холод, черное — белое, поворот головы налево — направо, желтое — синее и красное — зеленое. Причина этого, вероятно, в характере нервной импульсации и ее изменений. В принципе можно

222

Глава IV Психофизиология зрительно! о восприятия

'3 Сеччатка

223

представить себе нервы с частотой разрядов, поддерживаемой на достаточно высоком уровне, скажем, 100 в с, и потому способных в ответ на оппонентные стимулы либо снижать, либо повышать частоту импульсов — вниз до нуля, а вверх, например, до 500 в с. Но поскольку на импульсы расходуется метаболическая энергия (весь входящий в нерв натрий должен откачиваться наружу), то для нервных клеток в состоянии покоя более экономным, вероятно, будет молчание импуль-сации с низкой частотой, а организму выгодно иметь для каждой данной модальности две отдельные группы клеток, одна из которых разряжается при уменьшении, а другая при увеличении силы стимула.

3.6. Тормозное взаимодействие в элементах сетчатки

Существование столь разветвленных и сложных синаптических связей на уровне элементов сетчатки дает возможность осуществлять тонкие процессы, которые лежат в основе обработки сигналов, уже в начале пути зрительной информации к высшим отделам мозга.

Взаимодействие возбуждающих и тормозных влияний, осуществляющееся с помощью связей между элементами сетчатки, приводит к таким особенностям распределения активности в зрительном нерве, которые не являются простыми и непосредственными копиями внешнего образа. Из огромного количества деталей временного и пространственного распределения освещения на мозаике рецепторов сетчатки отбирается определенная важная информация. Эта информация усиливается за счет менее важной информации и лишь после этого передается в центральную нервную систему.

К числу наиболее важных особенностей распределения освещения относятся места перехода от одной интенсивности к другой и от одного цвета к другому. Действительно, даже если представлены только контуры, например, на штриховом, или контурном рисунке, значительная часть важной информации оказывается сохраненной. Исследователями описан механизм нервной интеграции, участвующий в обнаружении и усилении таких контуров. На глазе Limulus рассмотрено тормозное взаимодействие среди элементов сетчатки. Limulus — это краб, своеобразное живое ископаемое, который живет на восточном побережье США. Рецепторы его глаза непосредственно связаны с отдельными нервными волокнами. Нервные волокна этого древнего краба оказались наиболее пригодными для проведения исследований. Боковой глаз Limulus представляет собой сложный глаз, содержащий около 1000 омматидиев1. Нервные волокна отходят от омматидиев в

От греч omma — глаз — элемент сложного глаза насекомого и членистоногих

виде небольших пучков и образуют зрительный нерв. Сплетение нервных волокон связывает эти пучки сразу же за слоем омматидиев Каждый омматидий содержит около дюжины клеток: пучок клиновидных ретинулярных клеток и один биполярный нейрон — эксцентрическую клетку. Как эта клетка, так и ретинулярные клетки имеют аксоны, которые вместе составляют небольшой пучок, отходящий от оммати-дия; оба типа аксонов сильно ветвятся, образуя сплетение латеральных связей. Из зрительного нерва можно выделить небольшой пучок, содержащий одно активное волокно. Этот пучок помещают на электроды для регистрации нервных импульсов. Х.К. Хартлайн и его коллеги доказали, что регистрируемые на таком препарате импульсы возникают в эксцентрической клетке, которая, по-видимому, представляет собой нейрон, а не истинный рецептор. Эта клетка посылает дистальный дендритный отросток к центру рабдома, состоящего приблизительно из дюжины тесно соприкасающихся друг с другом рабдо-меров, которые представляют собой специализированные части ретинулярных клеток и, как полагают, являются фоторецепторами. Весь этот комплекс клеток, по-видимому, функционирует как одна «рецеп-торная единица».

Было обнаружено, что в рецепторных клетках глаза Limulus частота импульсов связана приблизительно логарифмической зависимостью с интенсивностью света. Активность любого волокна в ответ на раздражение омматидия, от которого оно отходит, имеет особенности, типичные для реакций многих сенсорных нервов: между раздражением и появлением первого импульса протекает довольно длительный латентный период; интенсивность реакции зависит главным образом от интенсивности раздражения. Реакция на резкое повышение или понижение уровня раздражения протекает несколько сложнее.

Освещение других омматидиев, расположенных поблизости от омматидия, активность которого регистрируется, не вызывает разряда импульсов в аксоне его эксцентрической клетки. В любом одиночном волокне зрительного нерва можно вызвать активность, освещая лишь ту специфичную рецепторную единицу, от которой отходит это волокно. Тем не менее, сенсорные элементы глаза Limulus оказывают существенное влияние друг на друга через сплетение латеральных связей. Это влияние чисто тормозное. Частота разряда импульсов в волокне зрительного нерва, отходящем от данного омматидия, понижается, а иногда эти разряды совсем исчезают при освещении соседних областей глаза.

Суть тормозного эффекта можно представить себе следующим образом. Способность омматидия давать разряд импульсов, идущих по аксону соответствующей эксцентрической к четки, уменьшается при

224

Гпава IV Психофизиолсиия зриюиьного восприятия

3 Сачагка

225

освещении соседних омматидиев, а именно: увеличивается порог светового раздражителя, уменьшается число импульсов, возникающих в ответ на надпороговую вспышку света, и понижается частота разряда импульсов при стабильном освещении. Показано, что степень торможения, о которой судят по понижению частоты разряда, зависит от интенсивности освещения, от площади и конфигурации изображения на сетчатке: 1) чем больше интенсивность освещения соседних рецепторов, тем сильнее тормозное действие, оказываемое ими на исследуемый рецептор; 2) чем больше число освещенных соседних рецепторов, т.е. чем больше площадь освещения, тем сильнее торможение исследуемого рецептора; 3) освещение рецепторов, расположенных в непосредственной близости к исследуемому рецептору, приводит к более сильному торможению, чем освещение удаленных рецепторов.

Рецепторы глаза Limulus оказывают друг на друга взаимные тормозные влияния. Активность каждого омматидия влияет на активность соседних омматидиев и в свою очередь зависит от их состояния. При регистрации активности двух волокон зрительного нерва, отходящих от двух не слишком удаленных друг от друга омматидиев глаза, частота разрядов импульсов в ответ на стабильное освещение в этих волокнах ниже, когда оба омматидия освещаются одновременно, чем когда каждый из них освещается отдельно. Степень торможения каждого омматидия зависит лишь от степени активности другого. Таким образом, активность каждого омматидия является результатом суммации возбуждения, вызванного действующим на этот омма-тидий световым раздражителем, и торможения, оказываемого другим омматидием.

Активность рецепторной единицы измеряют частотой разряда импульсов в соответствующем аксоне. Эта реакция определяется возбуждением, вызванным действием внешнего раздражителя на рецептор, и уменьшается любыми тормозными влияниями, которые могут действовать на рецептор вследствие активности соседних рецепторов. Активность системы взаимодействующих элементов можно описать достаточно точно без подробного указания на распределение освещенности на рецепторной мозаике, так как зависимость тормозных влияний подразумевалась в величинах порогов и тормозных коэффициентов Тем не менее ясно, что выраженная зависимость тормозных порогов и коэффициентов от расстояния между элементами вводит топографический фактор, который должен иметь большое значение в деятельности сетчатки Следовательно, любое подробное описание пространственных характеристик тормозного взаимодействия должно давать полную картину связей между этими тормозными параметрами и соответствующими расстояниями на рецепторной мозаике

Наибольших эффектов контрастности можно ожидать на границе (или поблизости от границы) между слабо и ярко освещенными об-яастями сетчатки. Рецепторная единица, расположенная в слабо освещенной области поблизости от этой границы, будет тормозиться не только слабо освещенными, но и ярко освещенными соседними единицами Суммарное торможение такой единицы будет поэтому большим, чем суммарное торможение других слабо освещенных единиц, расположенных дальше от границы, и частота разряда этой единицы будет ниже, чем у последних единиц. Подобным же образом единица, расположенная в ярко освещенном поле поблизости от границы, будет иметь более высокую частоту разряда, чем другие одинаково освещенные единицы, расположенные также в ярком поле, но испытывающие более сильное торможение, так как их непосредственными соседями являются столь же ярко освещенные единицы. Таким образом, различия в активности элементов по обеим сторонам границы будут усилены и нарушение непрерывности освещения будет подчеркнуто в характере нервной реакции.

Идеальной экспериментальной проверкой этих качественных предсказаний была бы одновременная регистрация разряда импульсов от большого числа рецепторных единиц во многих различных положениях, соответствующих фиксированному распределению освещенности на рецепторной мозаике Поскольку такая проверка неосуществима, измеряли разряд импульсов только от одной рецепторной единицы, расположенной поблизости от центра глаза, и в промежутках между измерениями изменяли освещение глаза таким образом, что данная рецепторная единица занимала последовательно ряд различных положений по отношению к участкам с разной освещенностью. Применяли две простые системы освещения: резкий скачок в интенсивности и простой градиент между двумя уровнями интенсивности. В каждом случае переходы в распределении освещенности подчеркиваются в соответствующем характере нервной реакции, а именно в частоте разряда рецептора появляются максимумы и минимумы на сторонах перехода освещенностей.

Основное свойство большинства рецепторов заключается в том, что они не только сообщают сведения об устойчивом состоянии раздражителя, но также энергично реагируют на изменения интенсивности раздражителя во времени. Как для возбуждающего, так и для тормозного компонента активности сложного глаза Limulus характерны резкие кратковременные реакции на изменения раздражителя Любое изменение интенсивности освещенности вызывает значительное преходящее изменение частоты разряда, гораздо большее, чем соответствующее различие в частоте при разных стабильных состояниях. По-

15-1015

226

Глава IV Психофизиология зрительного восприятия

3 Сетчатка

227

добные преходящие изменения, по-видимому, зависят как от скорости изменения освещенности, так и от абсолютной величины медленных «генераторных» потенциалов в омматидии.

Эти характерные преходящие режимы возбуждения оказывают сходное, но обратное влияние на частоту разрядов соседних элементов, возбуждение которых не изменялось. Следовательно, если сравнивать частоту разряда данного элемента с частотой разряда соседних элементов, преходящие частоты возбуждения будут казаться относительно небольшими, так как они вызывают обратный эффект в соседних элементах. Иногда, правда, после торможения наблюдается некоторое усиление реакции, несколько превышающее уровень незаторможенной реакции. Однако такое усиление всегда крайне мало. Преходящие процессы торможения протекают параллельно проходящим процессам возбуждения, но первые, вероятно, не полностью зависят от последних.

Тормозное взаимодействие среди нервных элементов представляет собой один из главных нервных механизмов, общий для многих сенсорных модальностей и уровней интеграции. Основные функциональные свойства этого взаимодействия, по-видимому, одинаковы, где бы они не обнаруживались. Глаз Limulus особенно удобен для количественного анализа этих функциональных свойств: взаимодействие является чисто тормозным, группа взаимодействующих элементов относительно малочисленна и распределение возбуждения на рецепторной мозаике можно регулировать с большой точностью. Эксперименты с этим глазом моделируют относительно простой интегративный процесс, что может быть полезным для понимания более сложных интег-ративных процессов в других частях нервной системы, а также у животных других видов.

В глазе Limulus четко выявляется влияние тормозного взаимодействия среди нервных элементов. Разряд импульсов в любом волокне зрительного нерва зависит не только от параметров раздражителя специфической рецепторной единицы, от которой отходит это волокно, но и от пространственного и временного распределения раздражения по всей популяции взаимодействующих элементов. Эти взаимодействия усиливают контраст при резких пространственных и временных градиентах и при нарушениях непрерывности изображения на сетчатке: края и контуры в их нервном представительстве становятся более четкими. Таким образом, возникающая активность зрительного нерва не является прямой копией распределения возбуждения на рецепторной мозаике. Определенная информация, особенно важная для организма, усиливается за счет менее важной информации. В сетчатке позвоночных взаимодействие протекает более сложно, что приводит к

| большему разнообразию активности зрительного нерва. Одно влия-[ ние часто затемняет другое.

Тем не менее, в зрительной системе позвоночных можно выделить отдельно участие возбуждающих и тормозных влияний на характер активности зрительного нерва. Например, Хартлайн обнаружил в глазе лягушки, что эффект выключения, вызванный в одиночном волокне посредством освещения одной группы рецепторов, можно затормозить, освещая другую группу рецепторов того же самого рецептивного поля. Установлено, что свет, совершенно не освещающий рецептивное поле данного волокна, но падающий поблизости от него, также оказывает тормозное влияние на реакции этого волокна. В глазе кошки определенные области в пределах одного рецепторного поля дают преимущественно или эффекты включения, или эффекты выключения. Когда в пределах одного рецептивного поля взаимодействуют две области с противоположными эффектами, реакции обеих, пройдя через их общий нейрон, изменяются. Дальнейшие изменения характера нервной активности происходят на высших интегративных уровнях зрительного пути. Например, тормозное взаимодействие нейронов обнаружено в зрительной коре кошки.

Тормозное взаимодействие, несомненно, представляет собой основу ряда хорошо известных зрительных явлений, таких, как световой и цветовой контрасты. Действительно, ранние психофизические исследования этих явлений предопределили открытие тормозного взаимодействия физиологическими методами.

В любом отдельном волокне зрительного нерва глаза Limulus, хирургически изолированном, можно возбудить активность только путем освещения той рецепторной единицы, от которой это волокно отходит (в глазе Limulus нет конвергенции возбуждения). Тем не менее на активность рецепторной единицы влияет освещение других, соседних, рецепторных единиц. Это влияние чисто тормозное. Активность каждого рецептора представляет собой результат действия на него светового раздражителя и торможения со стороны других рецепторов. При стабильном освещении торможение, оказываемое одной рецепторной единицей на другую, является линейной функцией частоты разряда первой единицы. Когда на данную рецепторную единицу действует несколько единиц, расположенных поблизости, их общее тормозное влияние количественно определяется суммой тормозных влияний каждой единицы. В результате реакции n-рецепторов, взаимодействующих друг с другом, можно описать посредством системы и-уравне-ний, линейных по частоте разрядов взаимодействующих единиц.

Тормозное взаимодействие двух рецепторов глаза Limulus тем сильнее, чем ближе расположены они друг к другу. Этот фактор ока-

15*

228

Глава IV Психофизиология зрительно! о восприятия

4 Топографическое отображение

229

зывает важное влияние на активность зрительного нерва, возбуждаемую различиями в распределении освещенности на рецепторной мозаике: происходит усиление контраста в области резких градиентов изображения на сетчатке. Эти эффекты весьма напоминают аналогичные эффекты в зрении человека (полосы Маха и пограничный контраст).

Кратковременные динамические фазы тормозного взаимодействия усиливают реакцию зрительного нерва на изменения интенсивности освещения. Действительно, при соответствующем столкновении возбуждающих влияний светового раздражения рецепторной единицы с тормозными влияниями от соседних рецепторов могут возникать кратковременные разряды импульсов, весьма напоминающие эффекты включения-выключения и эффекты выключения, столь характерные для различных волокон зрительного нерва сетчатки позвоночных.

Эксперименты на глазе Limulus раскрывают один из механизмов, который, возможно, участвует в создании эффектов пространственного и временного контраста в более высокоорганизованных зрительных системах и, возможно, применим для расшифровки сложных интегра-тивных процессов в других частях нервной систем.

4. Топографическое отображение

Постепенно были собраны сведения об участках мозга, связанных со зрительной функцией: достаточно хорошо прослежены начальные этапы передачи зрительной информации. Было установлено, что волокна зрительного нерва образуют синапсы с клетками наружного коленчатого тела (НКТ) и что аксоны клеток НКТ оканчиваются в первичной зрительной коре. Было также установлено, что эти связи — от сетчатки к НКТ и от НКТ к коре — имеют топографическую организацию. Говоря о топографическом отображении, мы имеем в виду, что предшествующая структура проецируется на последующую упорядоченным образом: если идти вдоль какой-либо линии на сетчатке, то проекции последовательных точек этой линии в НКТ и в коре также образуют одну непрерывную линию. Таким образом, волокна зрительного нерва, выходящие из небольшого участка сетчатки, все будут направляться к какому-то небольшому участку НКТ, а все волокна от небольшой зоны НКТ придут в определенную зону зрительной коры. Такая организация связей не покажется удивительной, если вспомнить упрощенную схему нервной системы, клетки группируются в структуру, напоминающую стопку пластин, причем каждая клетка любой пластины получает входы от некоторой компактной группы клеток предыдущей пластины.

В сетчатке последовательные слои клеток расположены так, что нервные волокна могут кратчайшим путем проходить с одного уровня на следующий. Клетки наружных коленчатых тел удалены на некоторое расстояние от клеток сетчатки, точно так же как кора удалена от НКТ и находится в другой части мозга. Тем не менее характер соединения ее с клетками остается тем же — проекции отдельных зон на более высокие уровни организованы так, как если бы эти зоны точно накладывались одна на другую.

На выходе из глазного яблока волокна зрительного нерва просто собираются в пучок. Дойдя до НКТ, они расходятся и образуют своими окончаниями упорядоченную проекцию. Удивительно то, что в зрительном нерве на пути от сетчатки к НКТ эти волокна почти полностью перепутываются, но на уровне НКТ снова находят свои места. Точно так же и волокна, которые выходят из НКТ, расходятся в виде широкой полосы, которая идет через весь мозг к затылку и оканчивается в первичной зрительной коре, где проекция снова оказывается упорядоченной. После того как эти пути, пройдя через первичную зрительную кору и образовав синапсы в различных ее слоях, выходят из этой области и достигают других корковых зон, они опять образуют топографически упорядоченную проекцию. Поскольку на каждом уровне есть конвергенция связей, рецептивные поля в целом постепенно становятся все ближе. Поэтому чем дальше от сетчатки, тем более размытым будет отображение зрительно воспринимаемой картины.

Еще одним важным и давним свидетельством в пользу топографической организации зрительных путей служат клинические наблюдения. Если поврежден определенный участок первичной зрительной коры, то развивается «локальная слепота», как если бы была разрушена соответствующая область сетчатки.

Есть определенная система в отображении зрительного мира в структурах наружных коленчатых тел и коры. Однако в 50-е гг. было неясно, что может означать такое отображение. В то время было еще слишком мало известно о закономерностях переработки информации на каждом из уровней ее анализа и интеграции, почти ничего не знали исследователи и о том, каков конечный результат переработки зрительных сигналов на каждом из уровней. Полагали, что картинка, созданная при помощи зрения, просто передается в мозг, а уж его задача — осмыслить ее. В дальнейшем стало понятно, что такая нейронная структура, как первичная зрительная кора, производит глубокое преобразование поступающей информации. Нам почти ничего не известно о том, что происходит на дальнейших этапах ее переработки. Но знание того, что определенная часть коры использует в своей работе

230

Глава IV Психофизиология зрительного восприятия

5. Зрительные области мозга

231

вполне понятные принципы, дает основание для предположении о том, что и остальные зоны коры работают так же.

5. Зрительные области мозга

Нервная система, ответственная за зрение, начинается с сетчатки. Сетчатка в сущности является вынесенным на периферию кусочком мозга, содержащим как типичные мозговые клетки, так и специализированные светочувствительные детекторы. Сетчатка делится по вертикали на две части; от наружных отделов сетчатки волокна идут к той же стороне затылочной области мозга, в то время как волокна от внутренней, назальной стороны сетчатки перекрещиваются сразу позади глаз — в хиазме (зрительный перекрест) и направляются к затылочной области противоположного полушария. Это зрительная область коры головного мозга.

Мозг как целое делится на два полушария, каждое из которых представляет собой более или менее цельный мозг; оба полушария соединены массивным пучком волокон — corpus collossum (мозолистое тело). Волокна зрительного тракта от хиазмы идут в переключающие ядра каждого полушария, в область, называемую наружное коленчатое тело. У животных с фронтальным расположением глаз с темпоральной области часть волокон переходит на противоположную сторону. Этот процесс, по-видимому, проходит параллельно с развитием бинокулярного зрения. В этом и объяснение того, почему животные с фронтальным расположением глаз могут видеть височной частью сетчатки то же, что видит другой глаз назальной сетчаткой.

5.1. Наружное коленчатое тело

Волокна, идущие в мозг от каждого глаза, проходят через зрительную хиазму. В хиазме примерно половина волокон каждого зрительного нерва переходит на противоположную сторону мозга по отношению к данному глазу, а другая половина остается на той же стороне мозга. Пройдя хиазму, волокна направляются в несколько разных пунктов. Некоторые из них идут в нейронные структуры, имеющие отношение к таким специфическим реакциям, как движения глаз и зрачковый рефлекс. Однако большая часть волокон оканчивается в двух наружных коленчатых телах (НКТ) (рис. 14). По сравнению с корой и множеством других отделов мозга эти тела устроены сравнительно просто — все или почти все из примерно полутора миллионов клеток в каждом НКТ имеют непосредственные входы от волокон зрительного нерва, и большинство клеток (но не все) посылают свои

аксоны в кору мозга. Отсюда следует, что пути, проходящие через НКТ в кору, имеют только одно синаптическое переключение; Однако было бы ошибкой считать НКТ просто передаточной станцией. Сюда входят не только волокна из зрительного нерва, но и волокна, приходящие обратно из тех участков коры, на которые проецируются НКТ, а также из ретикулярной формации ствола мозга, имеющей отношение к процессам внимания и общей активации. Некоторые клетки НКТ имеют короткие аксоны (меньше мм длиной), они не выходят за пределы НКТ, а образуют синаптические контакты с другими нейронами НКТ. Несмотря на эти усложнения, одиночные клетки НКТ отвечают на световые стимулы примерно так же, как и ганглиозные клетки сетчатки, и у них сходная структура рецептивных полей с on- и о//-центрами и сходные ответы на цветовые стимулы. Таким образом, если говорить о переработке зрительной информации, НКТ, по-видимому, не производит никаких значительных преобразований сигналов. Что же касается незрительных входов НКТ и локальных синап-тических связей, то пока мы просто ничего не знаем об их роли.

Соседний слой для правого глаза

Один из слоев Для левого глаза

Рис. 14. Передача информации от правого и левого глаза через хиазму в НКТ (наружное коленчатое тело). Проводящие пути от правого и левого глаза приходят в разные слои НКТ.

Волбкна зрительного нерва распределяются между двумя НКТ не совсем обычным и на первый взгляд даже странным способом. Волок-

232

Глава IV. Психофизиология зрительного восприятия

5. Зрительные области мозга

233

на от левой половины сетчатки левого глаза идут в НКТ той же стороны мозга, в то время как от левой половины сетчатки правого глаза перехо- ' дят в хиазме на другую сторону и, таким образом, попадают в то же левое НКТ. Аналогичным образом волокна от правых половин обеих сетчаток тоже оканчиваются в одном — правом — полушарии. Поскольку хрусталик создает на сетчатке перевернутое изображение, изображение, создаваемое на правой половине сетчатки, проецируется на левые половины сетчаток и информация передается в левое полушарие.

Зрительное поле. Термином «зрительные поля» обозначаются те участки окружающего пространства или зрительной сцены, которые видны обоими глазами. Правое зрительное поле включает все точки, лежащие справа от вертикали, проходящей через точку, которую мы фиксируем взглядом. Важно отличать зрительные поля, т.е. то, что мы видим во внешнем мире, от рецептивного поля, которое соответствует тому участку внешнего мира, который «видит» нервная клетка. Информация от правой половины поля зрения передается в левое полушарие.

Структура наружного коленчатого тела. НКТ содержит шесть клеточных слоев. Каждый слой имеет толщину в несколько клеток (от 4 до 10 и более). Шестислойная структура изогнута таким образом, что ее поперечный срез имеет слоистый вид.

При переходе от сетчатки к НКТ простая схема, в которой каждый последующий слой клеток содержит проекцию предыдущего, становится более сложной. В НКТ проекции от сетчаток двух глаз объединяются, и два отдельных изображения, представленные на уровне ган-глиозных клеток в сетчатках, проецируются на шесть слоев НКТ. Волокна от правого и левого глаза не конвергируют на одни и те же клетки НКТ — каждая из этих клеток получает каналы только от какого-то одного глаза. Два множества клеток разнесены по отдельным слоям, так что в любом слое все клетки получают информацию только от одного глаза. Эти слои расположены таким образом, что проекции от правого и левого глаза чередуются. Так, в левом НКТ проекции располагаются в следующем порядке (от поверхности в глубину): левая, правая, левая, правая, правая, левая. Не ясно, почему последовательность пятого и шестого слоев «перевернута». Пока нет никакого удовлетворительного объяснения самого факта чередования проекций.

В целом шестислойная нейронная структура имеет одну общую топографию для всех слоев (рис. 14). Левые половины обеих сетчаток проецируются в слои левого НКТ, а правые половины — в слои правого НКТ. Любая точка в одном слое НКТ соответствует некоторой точке в поле зрения того или другого глаза. Если двигаться вдоль слоя НКТ, то соответственная точка в поле зрения будет перемещаться по некоторой траектории, определяемой характером отображения зри-

тельного поля на НКТ. Если же двигаться перпендикулярно слоям НКТ, как двигался бы микроэлектрод, проходя через разные слои, то соответствующие рецептивные поля клеток оставались бы в одном и том же участке поля зрения; при этом наблюдалось бы только чередование проекций от разных глаз, за исключением, конечно, того места, где идут подряд две проекции от одного глаза. Таким образом, каждая половина поля зрения шестикратно отображается на каждое из НКТ, трижды для каждого глаза, а проекции в слоях НКТ располагаются в точности друг под другом. Наружное коленчатое тело выглядит как состоящее из двух частей. Его подразделяют на вентральные, или нижние, слои и четыре дорсальных, или верхних, слоя (вентральный — расположенный ближе к брюшной стороне тела, дорсальный — к спинной стороне). Вентральная часть НКТ образует особую структуру, так как клетки в соответствующих слоях отличаются от клеток в остальных четырех слоях — они крупнее и по-иному отвечают на зрительные стимулы. В то же время четыре слоя дорсальной части НКТ как гистологически, так и по своим электрофизиологическим свойствам сходны друг с другом. Поскольку величина клеток в этих двух отделах различна, вентральные слои стали называть крупноклеточными, а дорсальные — мелкоклеточными.

Волокна, выходящие из шести слоев НКТ, объединяются в один широкий пучок, называемый зрительной радиацией, который идет вверх до первичной зрительной коры. Здесь эти волокна равномерно расходятся и перераспределяются так, что образуется целостная проекция с топографической организацией (это аналогично распределению волокон зрительного нерва при входе его в НКТ). И вот, наконец, зрительная кора.

5.2. Архитектура зрительной коры

Центральная область известна как зрительное проекционное поле. При электрической стимуляции отдельных участков этой области человек видит вспышку света. При небольшом изменении положения стимулирующих электродов вспышка видна в другой части зрительного поля. Таким образом, имеется пространственное представительство обеих сетчаток в зрительной коре. Стимуляция отделов коры, примыкающих к зрительному проекционному полю, тоже ведет к появлению зрительных ощущений, но вместо вспышек света возникают более сложные зрительные ощущения. Иногда пациент видит ярко окрашенные шары, как бы парящие в пространстве. Стимуляция участков, расположенных еще дальше, может вызывать зрительные воспоминания — возникают целые сцены, живо проходящие перед глазами.

234

Глава IV Психофизиология зрительпою восприятия

5 Зрительные области мозга

235

5.2.1. Анатомия зрительной коры

Кора представляет собой слой нервной ткани толщиной около 2 мм, которая почти полностью покрывает большие полушария головного мозга. Площадь поверхности коры у человека составляет около 900 см2. Общая площадь коры у макак примерно в 10 раз меньше, чем у человека. Более ста лет назад было обнаружено, что кора полушарий подразделяется на множество различных корковых полей. Среди всех этих полей первой удалось определить зону первичной зрительной коры, которая на поперечных срезах выглядит слоистой или полосатой (отсюда и ее название — стриарная кора). В одной из первых систем такой классификации стриарной коре был присвоен номер 17. У макак первичная зрительная кора занимает около 1200 мм2. Это примерно 15% всей площади коры.

Стриарная кора (поле 17) имеет множество выходных волокон, значительная часть которых идет в следующую корковую область — зрительное поле 2, часто называемое полем 18, так как оно примыкает к полю 17. Поле 18 представляет собой полоску коры шириной примерно 6—8 мм, почти полностью окружающую поле 17. Поле 17 упорядоченно, точка в точку, проецируется на поле 18, а последнее в свою очередь образует проекции по крайней мере в трех затылочных зонах. Эти зоны называются срединная височная (МТ) и зрительные поля 3 и 4 (часто обозначаемые как Уз и V/{). Как правило, каждая корковая зона имеет проекции в нескольких других зонах, расположенных на более высоком уровне. Кроме того, для каждой зоны коры можно найти обратную проекцию — в ту зону или те зоны, откуда идут входные волокна. И как будто стремясь к еще большей сложности, каждая из этих зон образует проекции в глубинных структурах мозга, например, в верхних бугорках четверохолмия и в различных участках таламуса. И все эти зрительные зоны получают входные сигналы от разных участков таламуса — так же как НКТ проецируется в первичную зрительную кору, так различные области таламуса образуют проекции в других корковых зонах.

5.2.2. Слои зрительной коры

Рассматривая фотографии среза мозга зрительной коры, можно различить в виде точек тела отдельных клеток и получить некоторое представление об их размерах, количестве и распределении. Видимая картина слоев частично определяется интенсивностью окрашивания клеток и частично — плотностью их упаковки. Слои 4С и 6 — самые

плотные и потому самые темные. В слоях 1, 45 и 5 клетки расположены наиболее рыхло. Слой 1 едва ли содержит хотя бы одну нервную клетку, но здесь множество аксонов, дендритов и синапсов. Для того чтобы показать, что разные слои включают разные типы клеток, нужно применить какой-либо вариант методики, изобретенной К. Гольджи (1900). При окраске по Гольджи выявляются лишь немногие клетки, но на срезах клетка видна целиком, включая аксоны и дендриты. Два основных класса кортикальных клеток — это пирамидные нейроны, которые есть во всех слоях, кроме 1 и 4, и звездчатые клетки, которые присутствуют во всех слоях.

Волокна, идущие из НКТ, приходят в кору из белого вещества мозга. Пройдя в диагональном направлении, большая часть волокон доходит до слоя АС, многократно разветвляется и, наконец, достигает конечного пункта, образуя синапсы со звездчатыми клетками, которые в основном заполняют этот слой. Аксоны, выходящие их двух вентральных (крупноклеточных) слоев НКТ, оканчиваются в верхней половине слоя АС, называемой подслоем 4С, а те, которые выходят из четырех дорсальных (мелкоклеточных) слоев НКТ, оканчиваются в нижней половине слоя АС. Эти два подслоя образуют разные проекции в верхних слоях — АС посылает сигналы в 45, а другой подслой АС — в слои 2 и 3. Последние в свою очередь тоже различаются по своим проекциям. Заметное различие в нервных путях, выходящих из двух групп слоев НКТ, — это одно из многих оснований предполагать, что с этими путями связаны две разные системы. У большинства пирамидных клеток в слоях 2, 3, 45, 5 и 6 аксоны выходят из коры, однако у этих аксонов есть ответвления (коллатерали), которые образуют локальные связи и таким образом помогают распределить информацию по всей толще коры.

Корковые слои различаются не только своими входами и внутренними связями, но также и «адресами» тех структур, куда они проецируются. Все, кроме слоев 1, АА и АС, имеют выходные волокна, уходящие за пределы коры. Верхние слои 2 и 3, а также слой 45 посылают сигналы главным образом в другие области коры, тогда как нижние слои проецируются на подкорковые структуры: из слоя 5 выходные волокна идут в средний мозг, в верхние бугры четверохолмия, а из слоя 6 волокна направляются обратно в НКТ. Хотя почти сто лет назад установлено, что выходные волокна НКТ идут в основном в корковый слой 4. До 1969 г. ничего не было известно о различиях между выходами разных слоев коры, пока японский исследователь К. Тояма не обнаружил эти различия в физиологических экспериментах. С тех пор данные были многократно подтверждены морфологическими методами.

236

IV Психофизиоло! ия зрительного восприятия

6 Рецептивные поля

237

С. Рамон-и-Кахаль был первым, кто понял, насколько коротки внутренние связи в коре. Как уже говорилось, наиболее многочисленные связи идут вверх и вниз, тесно объединяя разные слои. Диагональные и боковые (горизонтальные) связи обычно имеют длину от 1 до 2 мм, хотя некоторые связи прослеживаются на расстояние 4—5 мм. Такое ограничение «горизонтальной» передачи информации в коре приводит к важным последствиям. Если входы организованы по топографическому принципу (в случае зрительной системы в соответствии с положением отображаемой точки на сетчатке или в поле зрения), то этот же принцип должен сохраняться и в организации выходов. Какие бы функции ни выполняла кора, проводимый анализ должен быть локальным. Информация о любом небольшом участке поля зрения поступает в какой-то небольшой участок коры, где подвергается анализу и передается дальше для последующей обработки независимо от того, что происходит с информацией о соседнем участке. Изображение зрительной картины мира анализируется фрагментарно, мозаично. В силу этой причины первичная зрительная кора не может быть местом интеграции и создания целостных зрительных объектов — это функция других областей мозга.

На мозаичный характер обработки зрительной информации указывают данные клинической неврологии. После небольших инсультов, опухолей или ранений, локализованных в первичной зрительной коре, может наступать полная слепота в небольших, четко ограниченных участках поля зрения. При этом в остальных участках сохраняется нормальное зрение Если бы каждая клетка была в какой-то мере связана со всеми другими, то вместо этого можно было бы ожидать некоторого общего, нелокального ухудшения зрения. Во всяком случае в поле зрения таких больных отсутствуют сплошь черные или сплошь серые островки, а также какие-либо другие дефекты.

6. Рецептивные поля

Термин рецептивное поле в широком смысле означает просто совокупность рецепторов, посылающих данному нейрону сигналы через один или большее число синапсов. Для нейронов зрительной коры это всего лишь некоторая область сетчатки, но в нейрофизиологии зрения этот термин постепенно стал использоваться в более широком смысле. Ганглиозные клетки сетчатки исторически были первым примером нейронов, рецептивные поля которых обладают внутренней структурой: стимуляция разных частей рецептивного поля дает качественно различные реакции, а стимуляция значительной части поля может привести к взаимному погашению эффектов, а не к их усилению.

6.1. Рецептивные поля ганглиозных клеток сетчатки

При изучении сетчатки мы сталкиваемся с двумя главными проблемами. Во-первых, каким образом палочки и колбочки преобразуют поглощаемый ими свет в электрические и химические сигналы? Во-вторых, как клетки последующих слоев — биполяры, горизонтальные, амакриновые и ганглиозные — интерпретируют эту информацию? Содержательной, удобной и компактной характеристикой нейрона и информации, доставляемой его выходными сигналами, может служить карта его рецептивного поля. Она помогает нам понять, почему клетки промежуточных уровней соединены именно так, а не иначе, и объяснить назначение прямого и непрямого путей.

Изучение зрительных рецептивных полей началось в 1950 г., когда С. Куффлеру удалось впервые зарегистрировать реакции ганглиозных клеток сетчатки на световые пятна у кошки. Выбор животного оказался удачным, поскольку сетчатка кошки и достаточно сложна и не обладает особенностями, связанными с цветом, как у рыб, птиц или обезьян, или с разнообразием реакций на движение, наблюдаемых у лягушки или кролика.

С. Куффлер отводил реакции внеклеточными электродами, вводимыми через склеру непосредственно в сетчатку с передней ее стороны. С помощью специального оптического прибора — видоизмененного медицинского офтальмоскопа — можно было равномерно освещать всю сетчатку постоянным слабым фоновым светом, а также проецировать маленькие световые пятнышки, непосредственно наблюдая как стимул, так и кончик электрода. Фоновый свет позволял стимулировать либо палочки, либо колбочки — поскольку при очень ярком освещении работали только колбочки, а при слабом — только палочки. Находить ганглиозные клетки нетрудно, так как они лежат у самой поверхности сетчатки.

При постоянном рассеянном фоновом свете и даже в абсолютной темноте большинство ганглиозных клеток сетчатки проявляет постоянную несколько нерегулярную активность с частотой от 1—2 до 20 импульсов в секунду. Так как можно было бы ожидать, что в полной темноте клетки будут молчать, эта импульсация оказалась неожиданной.

Применяя маленькое световое пятнышко, С. Куффлер смог отыскивать на сетчатке области, с которых он мог влиять на импульсацию ганглиозных клеток — увеличивать ее или подавлять. Это и есть рецептивные поля ганглиозных клеток. Как и следовало ожидать, рецеп-

238

Глава IV Психофизиология зрительного восприятия

6 Рецептивные поля

239

тивное поле обычно окружало кончик электрода или находилось очень близко к нему. Результаты опытов показали, что ганглиозные клетки бывают двух типов. Они получили названия клеток с ои-цент-ром и с о//-центром (рис. 15). Клетка с on-центром начинает отвечать повышением частоты разрядов, если небольшое пятнышко появляется где-то внутри определенной зоны в центре или около центра рецептивного поля. Это ои-реакция, которая возникает на включение светового пятна, локализованного в определенном месте сетчатки. Если С. Куффлер перемещал световое пятнышко дальше от центра рецептивного поля, свет подавлял спонтанную импульсацию клетки, а при выключении света клетка отвечала залпом импульсов, который продолжался около 1 с. Такой ответ — подавление импульсации во время воздействия света и разряд после его выключения называется off-pe-акцией.

Рис. 15. Концентрическое рецептивное поле ганглиозной клетки сетчатки Маленький белый кружок вызывает ол-ответ клетки, большой белый кружок приводит к развитию торможения, предъявление белого кольца вызывает торможение, а прекращение его предъявления приводит к развитию off-ответа. Включение стимула обозначено прямой

линией (по Хьюбелу)

Прямо противоположным было поведение клетки с о//"-центром. Ее рецептивное поле представлено центром, стимуляция которого световым пятном приводила к off-ответу (возможное подавление клеточных разрядов на включение стимула и активации разрядов на выключение стимула), и on-периферией, которая при включении стимула отвечала сильным повышением количества генерируемых разрядов. Необходимо отметить, что клетки обоих типов попадались одинаково часто. Клетки с о//-центром разряжаются с наибольшей частотой в ответ на черное пятно на белом фоне, поскольку при этом освещается только периферия ее рецептивного поля. В природе темные объекты, по-видимому, столь же распространены, что и светлые, этим можно объяснить, почему информация от сетчатки передается клетками как с off-, так и с оп-центром.

Исследование микроорганизации рецептивного поля этого типа показало, что оно четко поделено на круглую on-зону и окаймляющую ее намного большую кольцеобразную о//-зону. Чем большая часть данной on- или off"-зоны заполнялась стимулом, тем, сильнее был ответ, так что максимальные on-реакции получались на круглое пятно определенного диаметра, а максимальные о//-реакции — на кольцо определенных размеров (с определенным внутренним и наружным диаметром). Центральная и периферическая зоны проявляли взаимный антагонизм: реакция на пятно в центре уменьшалась в результате вспышки второго пятна на периферии. Наиболее впечатляющая демонстрация этого взаимодействия между центром и периферией получалась при покрытии всего рецептивного поля одним большим общим пятном. Это вызывало намного более слабую реакцию, чем при раздражении пятном только центра; для некоторых же клеток эффекты стимуляции обеих зон полностью погашали друг друга. Можно представить себе удивление исследователей, когда яркая вспышка, направленная прямо в глаз животного, вызывала лишь слабые реакции или не вызывала их вовсе. Никто не предполагал, что эффективными будут только структурированные стимулы, имеющие четкую, хотя и простую пространственную организацию.

6.2. Рецептивные поля биполярных клеток

До того как удалось зарегистрировать активность биполярных клеток, никто не знал, обладают ли их рецептивные поля, как у ган-глиозных клеток, центром и периферией и делятся ли эти поля на два типа — с off- центром и с on-центром. Утвердительный ответ на эти вопросы, почти несомненно, означал бы, что открытая С. Куф-флером организация ганглиозных клеток пассивно отражает организацию биполяров. Данные о том, что рецептивные поля биполярных клеток действительно имеют центр и периферию и представлены двумя типами, были впервые получены при помощи внутриклеточной регистрации их активности. Следующий вопрос — как устроены эти рецептивные поля. Для ответа на него необходимо начать с изучения связей между рецепторами, биполярами и горизонтальными клетками. Если с одним биполяром связаны два или несколько рецепторов, они совместно занимают сравнительно малый участок сетчатки. В любом случае эти рецепторы должны составлять центр рецептивного поля, поскольку занимаемая ими площадь соответствует центру поля по величине. В свою очередь, чтобы понять, как создается периферия рецептивного поля бипо-

240

Глава IV Психофизиология зрительной) восприятия

6 Рецептивные поля

241

лярного нейрона, необходимо рассмотреть, как работают горизонтальные клетки. Они, видимо, частично ответственны за периферию рецептивных полей ганглиозных клеток сетчатки; биполярные клетки имеют рецептивные поля с центром и периферией. Реакция центра определяется прямым входом небольшой группы рецепторов; периферию определяет непрямой путь более обширной области рецепторов, связанных с горизонтальными клетками, которые, вероятно, в свою очередь передают сигналы биполярам. Непрямой путь, кроме того, мог бы быть результатом обратной связи от горизонтальных клеток, тормозящей рецепторы.

Результаты опытов показывают, что основные особенности рецептивных полей ганглиозных клеток проявляются уже у биполярных клеток. Вероятно, все синапсы между биполярными и ганглиозными клетками возбуждающие; это означает, что биполярные клетки с оп-центром передают сигналы ганглиозным клеткам с ои-центром, а би-поляры с о//-центром — ганглиозным клеткам с о/У-центром, что упрощает схему связей.

6.3. Рецептивные поля нейронов наружного коленчатого тела

Рецептивные поля нейронов НКТ имеют такую же организацию (разделение на центр и периферию), как рецептивные поля ганглиозных клеток сетчатки, которые посылают аксоны к клеткам НКТ. Подобно ганглиозным клеткам сетчатки, НКТ различаются между собой главным образом свойствами рецептивных полей (on- или о/Лцентр, местоположение в поле зрения) и особенностями ответов на цветовые стимулы.

6.4. Ответы клеток в коре

Как клетки в первичной зрительной коре отвечают на зрительные стимулы? Сходны ли они с клетками НКТ, посылающими в кору свои аксоны, или же у них появляются какие-то свои особенности? Эксперименты на кортикальных нейронах показали, что они действительно обладают новыми качествами, и никто заранее не мог предсказать, какие же стимулы окажутся адекватными для наиболее эффективного раздражения рецептивных полей кортикальных нейронов.

Первичная зрительная кора (стриарная кора) представляет собой слой нейронов толщиной 2 мм и площадью в несколько квадратных сантиметров. Чтобы дать представление о размерах этой нейронной структуры, можно привести такие цифры: если НКТ содержит полтора миллиона клеток, то зрительная кора — около 200 миллионов кле-

ток. Анатомическая структура зрительной коры удивительно сложна, однако нет необходимости знать ее детальное строение, чтобы понять, каким образом преобразуется здесь поступающая зрительная информация.

Процесс переработки информации в коре состоит из нескольких этапов. На первом этапе большинство клеток дает такие же ответы, как клетки НКТ. Рецептивные поля этих клеток характеризуются концентрической структурой, как и у нейронов НКТ, и обладают круговой симметрией. Это означает, что линия или граница (перепад освещенности) вызывает один и тот же ответ вне зависимости от ее ориентации. Регистрировать электрическую активность корковых клеток этого уровня непросто, так как они очень малы и расположены близко друг к другу. Пока еще не ясно, отличаются ответы этих корковых клеток от ответов клеток НКТ (аналогичный вопрос сохраняется и в отношении различий реакций клеток НКТ от ответов ганглиозных клеток сетчатки).

Положение еще больше усложняется, когда мы переходим к ответам клеток на следующем корковом уровне. Вероятно, эти клетки должны получать входные сигналы от нейронов предыдущего уровня, обладающих рецептивными полями с центром и периферией. Первые результаты, полученные в отношении структурной организации рецептивных полей кортикальных клеток, были интересны тем, что не выявили отличий этих полей от уже известных на уровне сетчатки и НКТ: были найдены on- и о//-клетки. Кроме того, был обнаружен еще один класс клеток, которые, казалось, вообще не отвечали на световые стимулы.

Для большинства же корковых нейронов диффузный засвет сетчатки не только не оптимальный, но вообще полностью неэффективный стимул. Если многие клетки наружных коленчатых тел реагируют, хотя и слабо, на диффузный засвет, то корковые клетки, даже относящиеся к первому корковому уровню и сходные с клетками НКТ, практически не отвечают на такую стимуляцию. Таким образом, первая приходящая в голову мысль, что для активации зрительных нейронов лучше всего стимулировать все рецепторы сетчатки, оказалась совершенно неверной. Во-вторых, оказалось, что те корковые клетки, которые давали on- или off-ответы, на самом деле были не клетками, а просто аксонами клеток НКТ. Настоящие корковые нейроны в этом случае вообще не отвечали на стимуляцию! Предъявляемые стимулы были неадекватны, они вообще не реагировали на диффузный свет. История открытия рецептивных полей нейронов коры драматична: только случай помог правильно определить конфигурацию стимула, наиболее пригодного для работы с клетками этого уровня. Д. Хьюбел

16-1015

242

Глава IV Психофизиология зрительного восприятия

6. Рецептивные поля

243

так описывает поиск адекватной конфигурации подаваемых зрительных стимулов: «...время от времени клетка случайно давала реакцию, эта реакция скорее связана не с черным пятнышком, нанесенным на стекло, а с самим этим стеклом. В конце концов нам удалось установить, что реакцию клетки вызывает слабая, но четкая тень от края стеклянной пластинки, когда ее задвигали в окошко проекционного устройства. Вскоре мы убедились, что этот край работал как стимул только тогда, когда тень от него пересекала определенный участок сетчатки, причем эта тень должна была иметь вполне определенную ориентацию. Самым удивительным было резкое различие результатов в двух случаях: во-первых, когда ориентация стимула была оптимальной (тогда разряд напоминал пулеметную очередь) и, во-вторых, когда мы изменяли ориентацию стимула или производили тотальную засветку глаза яркой вспышкой (в этом случае никакой реакции не было)»1.

Так, случайно заметив ответ клетки на тень от предметного стекла, исследователи Д. Хьюбел и Т. Визел пришли к совершенно правильному предположению, которое в дальнейшем было подтверждено множеством экспериментальных исследований: для кортикальных клеток адекватным стимулом являются светлые и темные ориентированные полоски (рис. 16). Дальнейшие исследования показали, что тонкая структура рецептивного поля может быть разной, но принцип у всех полей один и тот же — вытянутые темные и светлые полоски, имеющие определенную ориентацию. Найдено три уровня организации рецептивных полей нейронов зрительной коры.

стимул

Рис 16. Нейрон с простым рецептивным полем. На ответ клетки влияет положение светлой полоски в темном поле. Отмечено время предъявления стимула (полоски).

Хьюбел Д Глаз, мозг, зрение М , 1990. С 77

В отличие от клеток первого уровня, имеющих рецептивные поля с центром и периферией, у обезьяны клетки более высоких уровней организации проявляют совершенно иные реакции. Обычно точечные световые стимулы вызывают лишь слабую реакцию этих клеток или вообще неэффективны — для того, чтобы вызвать ответ клетки, сначала нужно найти определенной участок зрительного поля для предъявления стимула (в опытах это означало, что нужно найти соответствующий участок экрана, перед которым находится животное). Иными словами, сначала нужно примерно определить рецептивное поле данной клетки, а после этого выяснить, какая конфигурация является наиболее эффективным стимулом для данной клетки. Обычно оказывалось, что наиболее эффективным стимулом служит линия, движущаяся в рецептивном поле в направлении, перпендикулярном ориентации этой линии. Такой линией могла быть узкая полоса света на темном фоне, или темная полоса на светлом фоне, или же прямолинейная граница между темной и светлой областями. Некоторые клетки отдавали предпочтение, часто достаточно сильно выраженное, какому-то одному из этих трех стимулов, другие отвечали примерно одинаково на стимулы всех трех типов. Всегда решающее значение имела ориентация линии — чаще всего клетка лучше реагировала на определенную оптимальную ориентацию, причем интенсивность от-, вета (число импульсов, возникавших при пересечении стимулом рецептивного поля) заметно снижалась при отклонении ориентации в любую сторону от оптимальной на 10—20°; при еще большем отклонении реакция круто снижалась до нулевого уровня. Когда ориентация стимула отличается от оптимальной на 90°, типичная клетка, избирательно чувствительная к ориентации, перестает отвечать вообще.

В отличие от клеток на более низких уровнях зрительной системы нейроны, избирательно чувствительные к ориентации стимула, гораздо лучше отвечают на движущиеся, чем на неподвижные линии. Именно поэтому при стимуляции таких нейронов используют линии, движущиеся через рецептивное поле. Если применить в качестве стимула неподвижную мелькающую (периодически вспыхивающую) линию, то клетка дает слабый ответ и в этом случае предпочтительной оказывается такая же ориентация, как и при движущейся линии.

Многие клетки (примерно треть всей популяции) дают еще один характерный вид ответа на движущийся стимул. Вместо того чтобы давать один и тот же импульсный разряд независимо от направления движения, такие клетки отвечают наиболее энергично при одном определенном направлении. Некоторые нейроны на движение в одну сторону отвечают сильно выраженным ответом, а при движении в противоположную сторону вообще не отвечают. 16*

244

Глава IV Психофизиологая зрительного восприятия

6 Рецептивные поля

245

За один эксперимент можно оценить реакции 200—300 клеток, если после полного исследования одной клетки просто продвигать микроэлектрод дальше, до следующей клетки. Когда исследователи получили данные об ориентационной избирательности нескольких сотен или тысяч клеток, то оказалось, что все ориентации стимула встречаются примерно одинаково часто — вертикальная, горизонтальная и все промежуточные, наклонные ориентации. Если учесть характерные особенности окружающего нас мира, который состоит из множества по-разному ориентированных линий, то, конечно, можно задать вопрос — какие ориентации встречаются чаще? При попытках ответить на этот вопрос в разных лабораториях получали не совсем одинаковые результаты, однако все исследователи соглашаются, что, если такие предпочтения действительно имеют место, они должны быть очень малы — настолько, что для выявления их требуется статистическая обработка данных. У обезьян в стриарной коре примерно 70—80% клеток обладают свойствами ориентационной избирательности. Что касается кошек, то у них, по-видимому, все корковые клетки чувствительны к ориентации стимула, даже те, которые имеют прямые входы от наружных коленчатых тел.

Наиболее существенно различие между двумя классами нейронов — простыми и сложными клетками. Клетки этих двух классов различаются по сложности своих ответных реакций. Поэтому сделали естественное предположение о том, что клетки с более простым поведением расположены в нейронной структуре коры ближе к ее входу.

6.4.1. Простые рецептивные поля

В большинстве случаев по ответам простых клеток на стимул в виде маленького светового пятна можно предсказать их реакцию на стимул сложной формы. Каждая из простых клеток, подобно гангли-озным клеткам сетчатки, клеткам НКТ и корковым клеткам с центрально-симметричными рецептивными полями, имеет небольшое четко очерченное рецептивное поле. Предъявление в пределах этого рецептивного поля стимула в виде светового пятнышка вызывает либо on-, либо о//-реакцию в зависимости от того, в какой именно участок рецептивного поля подан стимул. Различие между простыми клетками предыдущих уровней заключается в конфигурации зон возбуждения и торможения. На предыдущих уровнях это центрально-симметричная конфигурация — имеется одна центральная on- или о//-зона (возбуждающая или тормозная) и окружающая ее со всех сторон кольцевая зона с противоположными свойствами (тормозная или возбуждающая). Простые клетки коры более сложны. Зоны воз-

буждения и торможения в их рецептивных полях всегда разделены одной прямой линией или двумя параллельными линиями. Чаще всего встречается такая конфигурация, когда к длинной и узкой возбуждающей зоне с двух сторон примыкают более широкие тормозные зоны.

Тонкие исследования структурной организации рецептивных полей нейронов коры показали, что чем большую долю той или иной зоны рецептивного поля покрывает данный стимул, тем сильнее выражено возбуждение клетки или ее торможение, т.е. имеет место пространственная суммация локальных воздействий. Было обнаружено также явление антагонизма — взаимного погашения локальных воздействий при одновременной стимуляции возбуждающей и тормозной зоны. Даже незначительное изменение ориентации этой полосы приводит к уменьшению эффективно действующей площади зоны возбуждения, так как будет затронута тормозная область; в результате частота разряда в ответе клетки уменьшится.

Величина рецептивных полей простых клеток зависит от их расстояния от центральной ямки. Однако в одной и той же зоне сетчатки тоже есть заметные различия в размерах рецептивных полей. Самые маленькие рецептивные поля, расположенные в центральной ямке и около нее, имеют величину примерно О,25°хО,25°.

Опыты С. Кройцфельда и М. Ито. Даже теперь мы все еще не знаем, как устроены входные цепи для корковых клеток, от которых зависят их специфические реакции. Большое значение для понимания принципов передачи информации с нижележащего уровня (НКТ) на вышележащий (зрительную кору) имеют эксперименты, выполненные С. Кройцфельдом и М. Ито (1968). Они использовали метод внутриклеточной регистрации активности от нейронов первичной зрительной коры кошки. Анализировалась спонтанная и вызванная светом активность. При помощи анализа синаптической активности, приходящей на кортикальные нейроны, удалось установить, что на активность каждого кортикального нейрона влияет менее пяти генику-ло-кортикальных афферентных волокон. Причем тормозные аффе-ренты могут быть непрямыми и переключаться через другие кортикальные пирамидные клетки. Для каждого нейрона можно выделить 2—4 перекрывающихся области on- или о//-областей. Предложен ряд правдоподобных схем, и вполне может оказаться, что одна из этих схем или какая-то их комбинация окажется верной. Свойства простых клеток могут определяться нейронами предшествующего уровня с круглыми рецептивными полями; проще всего предположить, что простые клетки имеют прямые возбуждающие входы от многих клеток предыдущего уровня — таких, у которых центры рецептивных полей лежат в зрительном поле на одной прямой линии.

246

Глава IV Психофизиология зрительного восприятия

6 Рецептивные поля

247

Несколько труднее предложить гипотетическую схему для клеток, избирательно реагирующих на границы темного и светлого. Возможен такой вариант: данная простая клетка имеет входы от двух наборов клеток предыдущего уровня, у которых центры рецептивных полей расположены с двух сторон от одной линии — по одну сторону клетки с огс-центрами, а по другую с q/У-центрами, причем все эти входы возбуждающие. Во всех таких гипотетических схемах возбуждающий вход от клетки с on-центром по логике вещей эквивалентен тормозному входу от клетки с о//-центром, при условии, что клетка с off-цтт-ром обладает спонтанной активностью.

Выяснение действительного механизма, определяющего реакции простых клеток, — задача сложная. Она заключается в том, чтобы узнать от каких клеток нейрон с простым рецептивным полем получает входные сигналы. Для этого необходимо определить структуру рецептивных полей предшествующих (нижележащих), их местоположение и ориентацию (если она имеется), тип центра (on- или off-), a также характер посылаемых сигналов — возбуждающие они или тормозные. Поскольку методов получения таких сведений пока нет, то все предлагаемые объяснения носят лишь предварительный характер.

6.4.2. Сложные рецептивные поля

Сложные клетки соответствуют следующему уровню (или уровням) зрительного анализа. Они наиболее многочисленны в стриар-ной коре и составляют здесь, вероятно, около трех четвертей всей популяции нейронов. Общим свойством сложных и простых клеток является способность реагировать только на линии, ориентированные определенным образом. Сложные клетки, так же как и простые, отвечают на стимулы, предъявляемые в ограниченном участке поля зрения. От простых они отличаются тем, что реакции их нельзя объяснить формой и распределением возбуждающих и тормозных зон в рецептивном поле. Включение или выключение небольшого неподвижного пятна в пределах рецептивного поля редко вызывает ответ клетки. Даже на надлежащим образом ориентированную неподвижную полосу или границу клетка чаще всего не реагирует или дает лишь слабый, быстро затухающий ответ одного и того же типа как при включении, так и при выключении стимула. Однако, если должным образом ориентированная линия перемещается через рецептивное поле, возникает хорошо выраженный длительный разряд импульсов. Этот разряд начинается в момент, когда линия входит в рецептивное поле, и продолжается до тех пор, пока она не выйдет за

его пределы. Напротив, для того, чтобы вызвать длительный разряд простой клетки, нужно предъявить надлежащим образом ориентированную неподвижную линию в определенном участке рецептивного поля. Если же использовать движущуюся линию, то возникает только кратковременная реакция в тот момент, когда линия пересекает границу тормозной и возбуждающей зон, или же в то время, когда линия проходит через возбуждающую зону рецептивного поля. Те сложные клетки, которые способны реагировать на неподвижные световые «щели», полоски или границы, дают импульсный разряд независимо от того, в каком месте рецептивного поля расположен стимул, лишь бы ориентация его была подходящей. Однако те же стимулы совершенно неэффективны, если их ориентация далека от оптимальной.

Между простыми и сложными клетками есть существенное различие: у простой клетки реакцию вызывает оптимально ориентированная линия лишь в узком диапазоне положений, а у сложной такая линия вызывает ответ, в каком бы участке рецептивного поля она ни предъявлялась. Это различие связано с существованием четко очерченных возбуждающих и тормозных зон в рецептивном поле простой клетки и с отсутствием их в рецептивном поле сложной клетки. Сложная клетка дает пример генерализации ответа на линию в пределах широкой области (рис. 17).

Рис 17. Сложное рецептивное поле нейрона из зрительной коры. Ответ нейрона максимален при любом положении полоски, но с определенной ориентацией (по Хьюбелу).

В целом у сложных клеток рецептивные поля несколько больше, чем у простых, но не намного. У макак в области центральной ямки чаще всего встречаются рецептивные поля сложных клеток величиной примерно 0,5°х0,5°. В этой области сетчатки оптимальные размеры стимула как для простых, так и для сложных клеток составляют около двух угловых минут. Таким образом, «разрешающая способность»

248

Глапа IV Психофизиология зрительного восприятия

6 Рецептивные ноля

249

сложных клеток такая же, как у простых клеток. Неизвестно, как организована система связей, передающая информацию сложным клеткам. Можно предположить, что сложная клетка получает информацию от множества простых клеток, рецептивные поля которых имеют одну и ту же ориентацию, но размещены, частично перекрывая друг друга, по всему полю сложной клетки. Если связи от простых клеток к сложным возбуждающие, то всякий раз, когда в рецептивное поле сложной клетки попадает стимул в виде линии, возбуждаются некоторые простые клетки. В результате будет возбуждаться и сложная клетка.

Обычно в ответ на неподвижную линию сложная клетка дает короткий импульсный разряд (даже если стимул остается включенным). В этом случае мы говорим, что происходит адаптация ответа. Если же перемещать линию в рецептивном поле сложной клетки, наблюдается непрерывный разряд: адаптация преодолевается в результате последовательного срабатывания новых простых клеток.

6.5. Ориентационные колонки

Регистрируя реакции нейронов стриарной коры, мы уже в самом начале заметили, что всякий раз, когда одновременно отводится активность двух клеток, эти клетки оказываются сходными не только по глазодоминантности, но и по оптимальной ориентации стимула. Возникает вопрос: однотипны ли соседние клетки и по другим свойствам? Ответ будет отрицательным. Положения рецептивных полей в большинстве случаев не вполне совпадают, хотя поля обычно перекрываются; дирекциональная чувствительность часто бывает противоположной, или же у одной клетки она может быть хорошо выражена, а у другой ее может не быть вовсе. В слоях 2 и 3, где встречаются клетки, реагирующие на концы линий, одна клетка может не проявлять совсем этого свойства, а соседняя — обладать им в полной мере. С другой стороны, две соседние клетки очень редко обнаруживают явное различие в оптимальной ориентации стимула или противоположную глазодоминантность.

Предпочитаемая ориентация, так же как и глазодоминантность, остается неизменной при прохождении электрода вертикально сквозь всю толщу коры. Как уже говорилось, в слое АСЬ клетки вообще не обладают избирательностью к ориентации стимула; но как только мы доходим до слоя 5, у клеток выявляется сильно выраженная настройка на определенную ориентацию, причем оптимальная ориентация здесь та же, что была выше слоя 4. При введении микроэлектрода в каком-нибудь другом месте общая картина останется прежней, только ориентация скорее всего будет уже другой. Таким образом, кора раз-

бита на узкие участки с постоянной предпочтительной ориентацией, которые идут от поверхности коры до белого вещества, но прерываются в слое 4, где клетки не обладают ориентационной избирательностью.

Если же, наоборот, вводить электрод параллельно поверхности коры, то наблюдается удивительно закономерное изменение предпочитаемой ориентации — каждый раз, когда электрод перемещается на 0,05 мм (50 мкм), ориентация сдвигается в среднем на 10° по часовой стрелке или против часовой стрелки. Поэтому при продвижении электрода на 1 мм она обычно меняется на противоположную. Величины 50 мкм и 10° близки к пределу доступной в настоящее время точности измерений, так что нельзя сказать определенно, меняется ли ориентация при смещении электрода непрерывно или же сдвигается скачками.

Когда электрод продвигается параллельно поверхности коры, оптимальная ориентация стимула может изменяться либо по часовой стрелке, либо в обратном направлении. В большинстве случаев при достаточно длинном пути электрода направление сдвига ориентации рано или поздно меняется на обратное. Момент такой смены, или реверсии, непредсказуем, но обычно она происходит с интервалами в несколько миллиметров.

Наконец, в некоторых экспериментах обнаруживается явление, которое назвали разрывом. В редких случаях монотонная регулярность постепенного изменения ориентации прерывалась и происходил сдвиг ориентации сразу на 45—90°.

Как выглядели бы участки постоянной ориентации при взгляде на кору сверху? Ответить на этот вопрос оказалось гораздо труднее, чем на аналогичный вопрос о колонках глазодоминантности. Вплоть до самого последнего времени мы не имели прямой возможности «видеть» ориентационные группировки и могли лишь попытаться логически вывести их форму из результатов микроэлектродных исследований вроде описанных выше. Наличие как реверсий, так и разрывов наводит на мысль о сложности интересующей нас конфигурации. С другой стороны, линейная регулярность, которую мы наблюдали часто миллиметр за миллиметром вдоль коры, может означать периодичность, по крайней мере в пределах небольших зон коры; тогда реверсии и разрывы могли бы указывать на то, что эта периодичность прерывается через каждые несколько миллиметров.

В тех областях, где периодичность сохраняется, можно с определенной вероятностью реконструировать искомую конфигурацию. Предположим, эта конфигурация такова, что в пределах данной об-

250

Глава IV. Психофизиология зрительного восприятия

6. Рецептивные поля

251

ласти при продвижении электрода параллельно поверхности коры мы наблюдаем периодичность без реверсий и разрывов. Если бы можно было реконструировать трехмерную структуру, то ориентации отображались бы на некоторой поверхности; например, если график — прямая линия, то эта поверхность имела бы вид наклонной плоскости. На таких трехмерных реконструкциях искомые поверхности пересекались бы горизонтальными плоскостями (плоскостью х — у или плоскостями, параллельными ей) по некоторым линиям, соответствующим постоянной ориентации (можно назвать эти линии изоориентационными), что аналогично изогипсам на географических картах.

Число градаций ориентации, представленных в одном квадратном , миллиметре коры, можно определить по наиболее крутым графикам, получаемым в эксперименте. Эта цифра составляет примерно 400° на 1 мм, откуда следует, что полный набор ориентации в пределах 180° может содержаться на участке длиной около 0,5 мм. Эту величину нужно будет вспомнить, когда мы вернемся к вопросу о топографии коры и ее удивительной однородности. Однако необходимо отметить, что толщина пары колонок глазодоминантности составляет примерно 0,4 + 0,4 мм, т. е. близка к 1 мм. Это вдвое больше толщины полного набора ориентационных пластин, однако порядок величины тот же.

Для изучения геометрии ориентационных колонок применили метод картирования с помощью дезоксиглюкозы. Для этого в качестве стимула использовали рисунок из параллельных полос с неизменной ориентацией, который предъявляли на протяжении всего эксперимента. Полученная при этом картина оказалась гораздо более сложной, чем картина колонок глазодоминантности. Однако и здесь отчетливо была видна регулярность распределения с периодом 1 мм или чуть меньше (расстояние от середины одной темной полосы до середины следующей). Это согласуется с электрофизиологическими данными (с тем расстоянием, на которое нужно передвинуть электрод от клеток с определенной ориентацией, скажем вертикальной, чтобы через все промежуточные варианты снова дойти до вертикальной ориентации). В некоторых местах обнаружили структуру в виде правильных полос на площади в несколько квадратных миллиметров. Одно из косвенных подтверждений того, что действие дезоксиглюкозы затрагивает механизмы настройки на ориентацию, — это отсутствие каких-либо пятен или полос в слое 4С, где клетки не обладают избирательностью к ориентации. Другим подтверждением служит результат, полученный в опытах с погружением микроэлектрода в стриарную кору кошки параллельно ее поверхности. Каждый раз, когда встречались

клетки с определенной оптимальной ориентацией, производилось локальное разрушение ткани; затем после инъекции радиоактивной дезоксиглюкозы включался стимул с полосками одинаковой ориентации. В этих экспериментах была обнаружена явная корреляция между получаемым распределением метки на гистологическом срезе и ориентацией стимула.

Наиболее четко удалось выявить ориентационные колонки с помощью красителей, чувствительных к электрическому напряжению. При использовании этого метода краситель, чувствительный к напряжению и окрашивающий клеточные мембраны, наносят на поверхность коры наркотизированного животного, и нервные клетки поглощают его. Когда в эксперименте животному предъявляют стимул, все реагирующие на него клетки изменяют свой цвет. Если в области, близкой к поверхности коры, таких клеток окажется достаточно много, эти изменения цвета можно уловить с помощью современных методов обработки телевизионных изображений. Г. Блэсдел использовал в своих опытах стимуляцию полосами определенной ориентации, после чего фотографировал полученное распределение активности клеток на участке площадью в несколько квадратных сантиметров. Затем та же процедура повторялась при многих других ориентациях стимула. После этого каждой ориентации был поставлен в соответствие свой цвет — красный для вертикальной, оранжевый для положения часовой стрелки в 1 час и т. д.; потом все изображения были наложены друг на друга. Поскольку изоориентационная линия должна была постепенно смещаться по мере изменения ориентации, в любой небольшой зоне изображения возникал цветной узор.

6.6. Дирекциональная избирательность

Многие сложные клетки лучше реагируют на движение стимула в определенном направлении. Если прослушивать импульсную реакцию клетки, обладающую дирекциональной избирательностью, то создается впечатление, что при движении линии в одном направлении стимул как бы резко подталкивает клетку и заставляет ее разряжаться, а при движении в противоположном направлении происходит как бы сбой и стимул становится неэффективным.

Неизвестно, как именно устроены входные сети таких клеток с дирекциональной избирательностью. Возможно, что на вход такой клетки подключены простые клетки, реакции которых на движение стимула в противоположных направлениях неравнозначны, асимметричны. Рецептивные поля таких простых клеток асимметричны.

252

Глава IV Психофизиолоп-шзрителыюю восприятия

6 Рецептивные поля

253

Главная причина того, что в сложных клетках мы видим результат определенной организации клеток с круглыми рецептивными полями с центром и периферией, это очевидная необходимость производить переработку информации логически в два этапа. Необходимое преобразование могло бы быть осуществлено и в один этап — если суммировать на отдельных разветвлениях дендритов сложных клеток входные сигналы от клеток с круглыми рецептивными полями. Наличие простых клеток заставляет задуматься над тем, что не стоит строить сложных конструкций.

6.7. Исследование коры

Функциональная архитектура коры. Как связаны между собой физиологические свойства корковых клеток и их структурная организация? Имея в виду, что корковые клетки могут отличаться по положению их рецептивных полей, «сложности», предпочитаемой ориентации стимула, глазодоминантности, по оптимальному направлению движения стимула и оптимальной длине стимульной линии, правомерно ли ожидать, что соседние клетки сходны по некоторым из этих параметров? Или же клетки с разными свойствами просто рассыпаны по всей зрительной коре случайным образом, без всякой связи с их физиологическими свойствами?

Если изучать тонкую структуру коры, то на поперечных срезах можно увидеть отчетливые различия между отдельными ее слоями. Однако если прослеживать на поперечном срезе тот же слой по длине или же исследовать срезы одного слоя, сделанные параллельно границе слоев, то мы увидим один лишь серый однородный материал. Хотя такая однородность может указывать на случайное распределение клеток, мы знаем, что по крайней мере в отношении одной переменной клетки расположены весьма упорядоченно. Речь идет о закономерном соответствии между распределением клеток в стриарной коре и положением их рецептивных полей на сетчатке, т. е. о том, что соседние клетки коры должны иметь рецептивные поля, расположенные близко друг к другу в поле зрения. Именно такая картина выявляется в экспериментах. У двух клеток, лежащих рядом в коре, рецептивные поля обычно даже перекрываются на большей части своей площади. Тем не • менее эти поля не накладываются точно друг на друга. Если сдвигать микроэлектрод вдоль коры от клетки к клетке, то положения соответствующих рецептивных полей сдвигаются в направлении, которое можно предсказать, зная топографию отображения сетчатки в коре. Но как обстоит дело с остальными параметрами — глазодоминантностью, «сложностью», ориентацией адекватных стимулов и другими?

Потребовалось несколько лет для того, чтобы научиться достаточно надежно стимулировать корковые клетки и регистрировать их ответы; в результате появилась возможность описывать реакции не только отдельных клеток, но и сравнительно больших групп нейронов. В эксперименте Д. Хьюбелу и Т. Визелу удалось записать одновременно активность двух клеток.

Импульсные разряды одиночных клеток при таком отведении почти идентичны, однако величина и форма импульсов зависят от расстояния и от взаимного расположения клеток, так что разряды, отводимые одновременно от двух клеток, обычно оказываются разными, и поэтому их можно легко различить. Выполняя такого рода отведения от двух клеток, можно отчетливо увидеть, чем различаются соседние клетки и в чем они одинаковы.

Уже в первых записях активности корковых нейронов исследователи обнаружили, что часто две клетки, реакции которых можно регистрировать одновременно, одинаковы по глазодоминантности, сложности и по оптимальной ориентации стимулов. Такие совпадения вряд ли случайны, они позволяют предположить, что клетки с одними и теми же свойствами объединены в группы.

Трехмерная функциональная организация зрительной коры. С помощью микроэлектродов можно исследовать только отдельные точки коры. Для того, чтобы получить представление о трехмерной организации мозга, приходится медленно погружать электрод в глубину, время от времени останавливать его для записи активности какой-нибудь клетки (а возможно, — двух или трех клеток), отмечать по специальной шкале показания глубины, а затем повторять все сначала. Рано или поздно кончик микроэлектрода пройдет через весь корковый слой, и тогда электрод можно вынуть и снова ввести его в каком-нибудь другом месте. После окончания эксперимента делают срез, окрашивают его и исследуют под микроскопом с целью определить положение каждой из нервных клеток, активность которых регистрировалась. В одном эксперименте (длительностью около 24 часов) обычно удается сделать две-три проходки примерно по 4—5 мм каждая. За одну проходку можно наблюдать ответы примерно 200 клеток.

Микроэлектрод настолько тонок, что едва удается найти след от его прохождения под микроскопом, поэтому нет оснований думать, что при проходке микроэлектродом будет повреждено много клеток и это может повлиять на определение локализации микроэлектрода. Эту трудность удалось преодолеть, когда было обнаружено, что пропускание через микроэлектрод слабого тока приводит к разрушению клеток в ближайшей окрестности кончика микроэлектрода, и на гис-

254

Глапа IV Психофизиология зрительного восприятия

7 11ейробиология цветового зрения

255

тологических срезах эта зона разрушения хорошо видна. К счастью, при пропускании тока сам микроэлектрод не повреждается. Поэтому за одну проходку ток пропускают 3—4 раза, отмечая при этом глубину погружения микроэлектрода, а так как глубину отмечают и при регистрации активности клеток, то можно оценить и положение каждой из них. Разумеется, при воздействии тока погибает несколько клеток около кончика микроэлектрода, однако их не так много, чтобы могла быть нарушена работа более удаленных нейронов. Для того чтобы при этом не исказить ответы клеток, лежащих впереди на пути микроэлектрода, его кончик немного продвигают вперед, регистрируют активность клеток, а затем кончик отводят назад и тогда уже пропускают ток.

Как и следовало ожидать, клетки во входном корковом слое — слое 4 — проявляют более простое поведение, чем клетки на выходе. У обезьяны клетки в слое 4С(3), куда приходят волокна из четырех верхних (мелкоклеточных) слоев НКТ, по-видимому, не обладают избирательностью к ориентации стимула и ведут себя подобно клеткам, имеющим круглые рецептивные поля с центром и периферией. В слое АСа, имеющем входы от двух вентральных (крупноклеточных) слоев НКТ, некоторые клетки обладают концентрическими полями, а всем остальным, видимо, свойственны простые рецептивные поля и ориен-тационная чувствительность. Если перейти к следующему уровню — к слоям, лежащим выше и ниже слоя 4 С, — то подавляющее большинство клеток окажутся сложными. Клетки, реагирующие на концы линий, в слоях 2 и 3 составляют около 20% и в других слоях встречаются редко. Таким образом, в целом обнаруживается явная корреляция между сложностью клеток и положением их в зрительном пути, которое можно оценить по числу синаптических переключений до данного места.

В утверждении, что большинство клеток выше и ниже слоя 4 — сложные, упускаются из виду существенные различия между слоями: сложные клетки здесь далеко не одинаковы. Разумеется, все они имеют одно общее свойство, характерное для сложных клеток, — на движущуюся линию оптимальной ориентации они отвечают по всему рецептивному полю, независимо от конкретного положения стимула. Однако они различаются между собой другими свойствами. Можно выделить четыре подтипа клеток, которые содержатся в основном в разных слоях. Большинство сложных клеток в слоях 2 и 3 отвечает тем лучше, чем длиннее стимульная линия (в этом проявляется свойство суммации по длине). Однако реакция таких клеток становится слабее, когда длина стимула превышает некоторую критическую величину (если данная сложная клетка относится к нейронам, реагиру-

ющим на концы линий). Что касается клеток слоя 5, то для них короткие линии, занимающие по длине лишь небольшую долю рецептивного поля, почти так же эффективны, как и длинные — рецептивные поля этих клеток гораздо больше, чем у клеток в слоях 2 и 3. Напротив, клетки слоя 6 реагируют тем лучше, чем длиннее линия с оптимальной ориентацией (их ответ начинает ухудшаться только тогда, когда линия занимает всю длину рецептивного поля, которая в несколько раз больше его ширины, т.е. рецептивное поле длинное и узкое). Можно сделать вывод, что аксоны, выходящие из слоев 5 и 6 и из слоев 2 и 3 и идущие к разным участкам мозга (к верхним бугоркам четверохолмия, к НКТ, к другим зрительным полям) должны служить для передачи разных видов зрительной информации.

Подводя итоги, можно сказать, что при переходе от слоя к слою в ответах клеток выявляются более важные различия, чем, скажем, различия в оптимальной ориентации стимула или же в характере глазо-доминантности. Наиболее заметные различия между клетками разных корковых слоев касаются сложности их реакций; это отражает тот простой анатомический факт, что одни слои расположены ближе к входу в кору, чем другие.

7. Нейробиология цветового зрения

Исследование цветового зрения и его механизмов является одним из основных направлений в изучении зрительного восприятия. Мы придаем большое значение восприятию цвета — одному из важных факторов в зрительной эстетике, влияющему на эмоциональное состояние.

7.1. Основные теории цветового зрения

Учение о цвете зародилось в Элладе. Еще Эмпедокл, философ и проповедник V в. до н.э., высказывал мысли о существовании четырех основных цветов: красного и желтого, белого и черного. Они соответствовали «четырем основным элементам», установленным им же: огню, земле, воздуху, воде. Зрение Эмпедокл объяснял так: из глаза «истекают» потоки мелких частиц. Когда они встречаются, возникает зрительное ощущение, в том числе и цветовое.

В I в. до н.э. Демокрит предпринял попытку объяснить природу отдельных цветов с помощью атомной теории. Он также признавал четыре основных цвета. Учению о цвете придавали большое значение и Платон (V—IV вв. до н.э.), и его ученик Аристотель (IV в. до н.э.).

256

I лава IV Пшхофизиопошя фителыюговосприяшя

7 Иеиробиочошя цветовою {рения

257

А небольшой трактат «О цветах», авторство которого точно не установлено (оно приписывается Аристотелю или его ученику Теофрас-ту), хотя и не сыграл большой роли в теории цветоощущения, все же содержит ряд интересных и значительных мыслей. Гениальный итальянский художник и ученый эпохи Возрождения Леонардо да Винчи (XV—XVI вв.), считавший глаз важнейшим из всех органов чувств, говорил: «Глаз есть окно человеческого тела, через которое он глядит на свой путь и наслаждается красотою мира».

Основы современной науки о цвете заложены И. Ньютоном, который, пропуская солнечный луч через трехгранную призму из стекла (1666), впервые наблюдал образование спектральной полосы, состоящей из гаммы определенных цветов. В 1672 г. он сообщил о преломлении солнечных лучей при прохождении через стеклянную призму. Оказалось, что белый свет разлагается на цветовые компоненты, образующие видимый спектр. При смешении этих компонентов снова получается белый свет. Было установлено, что белый цвет неоднороден, это смесь нескольких цветов. Все множество цветов подразделяется на две группы: ахроматические и хроматические. К ахроматическим относятся белый, черный и серый цвета со всеми своими многочисленными оттенками (их более трехсот). Все остальные цвета — хроматические.

Ахроматические цвета можно представить себе расположенными на прямой, цвет которой постепенно изменяется от белого до черного. Друг от друга они различаются только по одному признаку — яркости. Хроматическим цветам присуща уже не одна, а несколько характеристик. Они обладают, кроме яркости, еще цветовым тоном и насыщенностью. К основным цветовым тонам относятся семь цветов солнечного спектра. Цветовой тон определяется длиной световой волны. Так, красный цвет длинноволновый, зеленый — средневолновый, а фиолетовый — коротковолновый. Насыщенность хроматического цвета зависит от степени «разбавления» его белым. Смешение трех основных цветов в различных соотношениях определяет все многообразие оттенков. Указав цветовой тон, насыщенность и яркость, можно автоматически точно обозначить любой из всего множества окружающих нас цветов.

Сегодня исследователями наиболее принята трехкомпонентная теория, согласно которой в нашей зрительной системе существуют три цветоощущающих аппарата, которые реагируют на различные цвета и дают нам возможность их видеть.

Трехкомпонентная теория цветового зрения. Впервые основные идеи трехкомпонентной теории цветового зрения были высказаны М В. Ломоносовым (XVIII в ). Он считал, что причиной света являет-

ся движение эфира, состоящего из частиц трех видов различных размеров. Частицы эфира могут совмещаться с частицами материи, из которых состоит «дно» глаза, и приводить их в «коловратное» движение, при этом «от первого рода эфира происходит цвет красной, от второго желтой, от третьего голубой. Прочие цвета рождаются от смешения первых».

Еще в самом начале XIX в. Томас Юнг предположил, что все мыслимые цвета можно получить, смешивая три «основных» цвета. В 1801 г. он написал: «В настоящее время невозможно представить себе, что каждая чувствительная точка сетчатки содержит бесчисленное множество составных частиц, способных вибрировать в унисон с каждым возможным световым колебанием, мы приходим с необходимостью к предположению о существовании ограниченного числа рецепторов сетчатки, воспринимающих, например, такие основные цвета, как красный, желтый и синий...». В более поздних работах он остановился на трех «основных» цветах: красном, зеленом и фиолетовом. Опытным путем Т. Юнг обнаружил, что любой видимый в спектре цвет может быть получен смешением не менее трех световых лучей. Со временем эта гипотеза получила подтверждение и ныне именуется трехкомпонентной (трихроматической) теорией. Дальнейшее развитие трехкомпонентная теория цветового зрения получила в работах крупнейшего естествоиспытателя Г. Гельмгольца (XIX в.).

Физиологические, биохимические и биофизические исследования подтверждают трехкомпонентную теорию. В сетчатке глаза у рыб, млекопитающих и человека имеются светочувствительные клетки — палочки и колбочки. Палочки работают лишь при слабом освещении (например, в сумерках и ночью) и различают только градации света и темноты. Колбочки же воспринимают цвет, но только при дневном освещении. Колбочки бывают трех типов. Они обнаружены у человека и у ряда других приматов. Трем типам колбочек соответствуют три типа чувствительности, лежащие в различных частях видимого спектра — колбочки часто называют просто «синими», «зелеными» и «красными» по положению соответствующих пиков в спектре. В классической теории трех основных раздражителей предполагается, что с возбуждением каждой колбочки связано одно из трех основных цветовых ощущений. Это ощущения синего, зеленого и красного. Считали, что ощущение желтого возникает при одновременном возбуждении «красных» и «зеленых» волокон, ощущение белого — при одновременном возбуждении волокон всех типов, а ощущение черного — при полном отсутствии возбуждения.

Таким образом, согласно теории Ломоносова — Юнга — Гельмгольца, существуют три типа цветочувствительных элементов, реаги-

17-1015

258

I лава IV Психофизиология зрительного восприятия

7 Нейробиология цветового зрения

259

рующих на красный, зеленый и синий (фиолетовый) цвета. Каждый вид этих рецепторов возбуждается преимущественно одним из основных цветов, реагируя частично и на другие. Ощущение «неосновных» цветов возникает при смешении сигналов трех рецепторных систем, а ощущение белого цвета — при равномерном раздражении этих сигналов.

Теория оппонентных цветов. Почти забытой оказалась другая теория — теория оппонентных цветовых пар. Ее выдвинул немецкий физиолог Э. Геринг (1874). Он предположил, что в зрении участвуют три пары процессов, причем два процесса каждой пары антагонистичны друг другу. Э. Геринг думал, что этим трем парам соответствуют ощущения черного-белого, красного-зеленого и желтого-синего. Противоположные реакции нервных клеток — как бы положительные и отрицательные — он называл соответственно «ассимиляцией» и «диссимиляцией». Позже существование антагонистических нервных процессов было подтверждено в экспериментах, и это привело к возрождению теории Э Геринга.

В конце 50-х гг. были получены соответствующие данные. Г. Све-тихин изучал сетчатку рыб, а Р. Де Валуа исследовал реакции нейронов на цветовые стимулы в наружном коленчатом теле макаки. Наружное коленчатое тело — это своеобразная передаточная станция, связывающая сетчатку глаза с корой больших полушарий. И в сетчатке рыб, и в НКТ было обнаружено несколько типов совершенно особых нервных клеток: такие клетки возбуждались или затормаживались в зависимости от длины волны света, падавшего на сетчатку. Среди них были клетки, отвечавшие на красный или зеленый, или на желтый и синий цвета. Кроме того, нашлись и клетки, реагирующие на ахроматические цвета (от белого до черного).

В те времена, когда они были выдвинуты, представления Э.Геринга намного опережали развитие нейрофизиологии. В результате исследований, выполненных Г. Светихиным и Р. Де Валуа, положение изменилось, а дальнейшие исследования показали, что зрительная система еще более сложна. Каждый фоторецептор сетчатки соединен с несколькими биполярными клетками и имеет разнообразные синапсы со множеством вторичных нейронов. Таким же замысловатым образом биполярные клетки соединены с ганглиозными клетками сетчатки

Два первых этапа переработки цветовых зрительных сигналов осуществляются в сетчатке и в боковом коленчатом теле таламуса. Существование трех разновидностей колбочек отвечает положениям трех-компонентной теории. Это первая ступенька. Вторая связана с биполярными и ганглиозными клетками сетчатки и с клетками наружного коленчатого тела. Здесь, как и предсказывал Геринг, действует принцип пар оппонентных цветов

Есть и третья ступенька, в корне отличная от двух первых. Ее одновременно открыли Н. Доу и Д. Хьюбел и Т. Визел, изучавшие функцию первичной зрительной коры. Там имеются «двойные оппо-нентные клетки» Их рецептивные поля подразделяются на центр и периферию. Центр возбуждается светом одного спектрального участка и затормаживается светом другого (оппонентного). Периферия реагирует на ту же пару оппонентных цветов, но прямо противоположным образом: цвет, возбуждающий центр, тормозит периферию, и наоборот.

Волокна, идущие из первичной зрительной коры, направляются во многие другие участки мозга, в том числе в зону, обозначаемую V2, которая в свою очередь передает нервные импульсы в зону V4, а там, как установили Н Доу, С. Зеки и другие исследователи, тоже немало клеток, отвечающих на цветовые стимулы.

Как видим, трехкомпонентная схема действует только на самом первом этапе (на уровне колбочек сетчатки). Поднимаясь выше, мы находим уже схемы, построенные на принципе оппонентных цветов сначала простые, затем более сложные. Все они основаны на трех парах главных противостоящих цветов: черный-белый, красный-зеленый, синий-желтый. Восприятие белого — это не просто результат «сложения» хроматических цветов, как при их оптическом смешении. Это особый перцептивный механизм, отличный от восприятия всего «цветного» Все сказанное в целом согласуется с предположениями Геринга.

Ощущение цвета у позвоночных встречается спорадически, вероятно, в ходе эволюции оно неоднократно редуцировалось или даже исчезало, чтобы потом появиться снова. Почти окончательно доказано, что многие млекопитающие, включая приматов, не имеют цветового зрения, а если некоторые из них имеют цветовое зрение, то в рудиментарной форме. К млекопитающим, у которых цветовое зрение слабо развито или отсутствует, относятся мыши, крысы, кролики, кошки, собаки. У сусликов и приматов (включая людей, человекообразных и большинство других обезьян) цветовое зрение хорошо развито. Из ночных животных, зрение которых приспособлено к слабому свету, лишь немногие хорошо различают цвета, это позволяет думать, что по каким-то причинам различение цветов и способность видеть при слабом свете несовместимы друг с другом. Среди других позвоночных цветовое зрение хорошо развито у многих рыб и птиц, но, вероятно, отсутствует или слабо выражено у рептилий и амфибий. Птицы хорошо различают цвета Удивительно, но многие низшие животные обладают прекрасно развитым цветовым зрением' оно в высокой мере развито у некоторых пресмыкающихся и насекомых, таких,

17»

260

Глава IV Психофизиология зрительного восприятия

7. Нейробнология цветового зрения

261

как пчелы и стрекозы. С помощью цветового зрения медоносная пчела не только распознает разные цветы, но и отыскивает по цветовой метке свое жилище. В отношении подавляющего большинства животных у нас нет достаточно точных сведений.

В животном мире эволюционное развитие всех пяти чувств, помогающих живому существу ориентироваться во внешнем мире, происходило довольно упорядоченно и это означает, что они имеют определенное значение для выживания. Осязание, обоняние, слух, зрение исключительно важны для добывания пищи. Полезно здесь и цветовое зрение, оно помогает оценивать съедобность и зрелость плодов.

Цвет и речь. Как цветовое восприятие отразилось в речи человека? В одном из исследований был выполнен анализ употребления слов, обозначающих цвета, людьми разных национальностей. Сначала испытуемых просили указать слова, которые, по их мнению, непременно должны входить в минимальный запас слов, обозначающих цвета. Потом испытуемым предъявляли набор из 117 цветовых образцов (по атласу Мензелла) и просили их назвать. В системе Мензелла цвета располагаются в цветовом пространстве с тремя основными измерениями: цветовой тон, светлота и насыщенность; в каждом из этих измерений переход от данного образца к соседнему соответствует примерно одинаковому различию в восприятии. На подбор названия показанного цвета испытуемому давалось до 20 с. Носители всех языков считают совершенно необходимыми слова, которые обозначают красное, зеленое, желтое и синее. Японцы добавляют к ним значения белого и черного, и это вполне понятно. Дело в том, что в немецком и английском языках слово «цвет» противопоставимо по своему смыслу черно-бело-серому «бесцветью». При таком понимании цвета черно-белая фотография — не цветная. В японском же языке такого противопоставления нет: японцы и черный, и белый считают подлинными цветами. Поэтому черно-белая фотография для японца «двуцветна», а цветная фотография, когда она появилась в Японии, получила там название не «цветной», а «естественной» фотографии.

Связь между восприятием цветов и цветом пищи, выявленная в одной из серий психофизиологических экспериментов, наводит на неожиданные соображения. При дневном свете нижняя граница видимого спектра для человеческого глаза близка к 400 нм (нанометрам)1; при 555 нм чувствительность глаза максимальна, а в области 700 нм — сходит на нет. Спектральный диапазон наибольшей светочувствительности ограничивается 600 нм, что соответствует цветам от зеленого до

1 1 им = 10 V

желтого. Исключительно важно, что это эволюционно сопряжено с
необходимостью оценивать степень зрелости плодов и вегетативных
частей растений. '

Видимо, историческое развитие цветовой лексики (белый — красный — желтый — зеленый — синий — коричневый и т. д.) тоже отчасти отражает необходимость добывания пищи. Черное и белое — это вообще основа различения света и темноты (например, дня и ночи); красное неотделимо от жизни, а желтое и зеленое — от пищи. Шестой же член нейробиологической системы оппонентных цветов (синий) стоит особняком: он не имеет прямого отношения к первичным жизненным потребностям. Обычно синим или голубым окрашено то, что нельзя потрогать руками (например, небо), или то, что в малых количествах утрачивает цвет (вода).

7.2. Цветовая слепота

Наиболее редко встречаются случаи полной цветовой слепоты, или монохромазии. Лица, подверженные монохромазии, воспринимают мир как черно-белую фотографию. Самым распространенным нарушением цветового зрения является невозможность правильно различать красное и зеленое. Это дальтонизм, который и получил это название по имени химика Дж. Дальтона (конец XVIII — начало XIX в.), впервые обратившего внимание на то, что он не может достаточно уверенно различать вещества по цвету. В 1794 г. Дальтон сделал в Манчестере доклад о недостатке своего цветового зрения — цветовой слепоте. В 1798 г. доклад был напечатан и стал одной из основных работ по изучению врожденного цветового расстройства, названного дальтонизмом (1827). Химик часто определяет вещество по цвету. В этом случае его способность определять цвет ставится в прямую зависимость от наличия у него возможности различать цвета без опоры на какие-либо внешние привычные признаки (например, трава зеленая, и мы знаем об этом и от других людей; мы знаем, что она должна быть зеленой, даже если у нас вызывает сомнение наличие этого признака). Поэтому в тестах на цветовое зрение всегда используются изолированные цвета, и в этом случае достаточно просто обнаружить, обладает ли человек нормальной способностью различать цвета. Смешение красного и зеленого встречается весьма часто. Примерно 10% мужчин имеют этот дефект, а у женщин он встречается значительно реже.

Существует и много других нарушений. Менее распространенным является смешение зеленого и синего. Исходя их трех предполагаемых рецепторных систем, цветовую слепоту подразделяют на три главных вида — раньше их называли слепотой на красный, зеленый и

262

Глава IV Психофизиология зрительного восприятия

7 Неиробиология цветового зрения

263

lit

синий. У некоторых людей обнаруживается полное отсутствие одного из трех видов колбочек, их называют протанопами, дейтеранопами и тританопами. Для этих людей достаточно смешать два окрашенных световых потока, чтобы получить все спектральные цвета, доступные их восприятию. Чаще встречается не полное выпадение цветового зрения, а уменьшение чувствительности к некоторым цветам. Эти нарушения обозначают как протанопия, дейтеранопия и тританопия. Последняя форма встречается чрезвычайно редко. Люди, имеющие эти дефекты, соответственно имеют аномальное цветовое зрение. Это означает, что, хотя им требуется три окрашенных световых потока, чтобы получить доступные их восприятию цвета спектра, им нужны иные пропорции этих трех составляющих, чем людям с нормальным цветовосприятием.

Значительное распространение имеют формы аномальной трих-ромазии и дихромазии. При аномальной трихромазии понижается восприятие либо красного (протаномалия), либо зеленого (дейтера-номалия). При дихромазии — частичной цветовой слепоте (в зависимости от восприятия цвета называемой протанопией и дейтерано-пией) — расстройства цветового зрения выражены значительно резче. Врожденное расстройство цветовосприятия встречается приблизительно у 8—10% мужчин, у женщин же наблюдается значительно реже — всего около 0,5%.

Нарушения цветовосприятия могут быть врожденными и приобретенными Врожденное расстройство относительно стабильно, оно передается по наследству через поколение (от деда внуку) и касается почти исключительно красного и зеленого цветов. Приобретенное расстройство возникает вследствие заболеваний зрительно-нервного аппарата центральной нервной системы и может касаться всех основных цветов. Так, при отслоении сетчатки чаще всего возможны нарушения восприятия синего цвета. К приобретенному расстройству цветоощущения могут привести травмы, опухоли глаза и головного мозга.

На Международном конгрессе офтальмологов в 1931 г. немецкий ученый Р. Энгелькинг сделал сенсационное сообщение. Он установил, что явления, аналогичные дальтонизму, наблюдаются у 42% людей в состоянии утомления. Гипотезу Энгелькинга подтвердили и другие исследователи. Действительно, при рассмотрении на спектральном аномалоскопе двух образцов различного цвета испытуемый через некоторый промежуток времени перестает различать эти цвета, попросту говоря, они сливаются. В дальнейшем это явление получило объяснение: оказалось, что при длительном наблюдении зрительная система утомляется, и наступает фаза временного неразличения цвета.

Этот эффект получил название адиспаропии, что в переводе означает «неразличение неравенства». Адиспаропия проявляется по-разному. Так, у людей с нормальным зрением она наступает медленнее, чем у людей, страдающих близорукостью. Достаточно точно момент появления адиспаропии можно определить при помощи аномалоскопа. Явление это носит временный характер благодаря колоссальным компенсаторным возможностям нашей зрительной системы.

7.3. Физиология цветового зрения

Считается, что животное имеет цветовое зрение, если оно может различать стимулы, которые отличаются распределением их спектральных энергий. Это различение делается независимо от контраста по интенсивности. В терминах восприятия нужно, чтобы различение было выполнено на основе насыщенности и цветового оттенка, а не на основе яркости.

7.3.1. Цветоразличение на уровне сетчатки

Первая физиологическая информация о различении цветов на клеточном уровне была получена спустя 250 лет после открытия И. Ньютона в исследованиях Г. Светихина (1956), который на костистой рыбе осуществил внутриклеточную регистрацию активности нейронов сетчатки — сначала он принял их за колбочки, но они оказались горизонтальными клетками. На освещение сетчатки эти клетки отвечали только медленными потенциалами (потенциалов действия не наблюдалось). Светихин обнаружил три типа клеток: первый тип, названный им L-клетками, гиперполяризовался при световой стимуляции независимо от спектрального состава света, второй тип, названный r-g-клетками (красно-зелеными), гиперполяризовался волнами малой длины с максимумом ответа на зеленый свет и деполяризовался волнами большой длины с максимумом ответа на красный свет; третий тип, названный с учетом теории Геринга г/-Ь-клетками (желто-синими), отвечал по типу клеток r-g, но с максимумом гиперполяриза-ции на синий и максимумом деполяризации на желтый свет. У клеток r-g и у-Ь белый свет вызывал лишь слабые и быстро затухающие ответы, как и следовало ожидать ввиду широкополосного спектрально-энергетического состава белого света. Кроме того, у клеток этих типов, которые можно назвать оппонентно-цветовыми клетками, свет с некоторой промежуточной длиной волны не вызывал никакой реакции. Поскольку эти клетки реагируют на окрашенный, но не на белый свет, они, вероятно, связаны с цветовыми ощущениями.

264

Глава IV Психофизиология зрительного восприятия

7 Неиробиологня цветового зрения

265

7.3.2. Цветочувствительные нейроны НКТ

Р. Де Валуа и его сотрудники (1958) зарегистрировали ответы клеток наружного коленчатого тела макаки, поразительно сходные с ответами элементов сетчатки костистой рыбы на цветовые стимулы. Ранее с помощью поведенческих тестов было показано, что цветовое зрение макаки и человека почти одинаково; например, соотношение, в котором нужно смешать два цветных луча, чтобы получить третий цвет, почти идентично у обоих видов. Поэтому можно думать, что макаки и люди обладают сходными механизмами на нижних уровнях зрительной системы, и, по-видимому, вполне правомерно сравнение психофизиологических механизмов восприятия цвета у человека и макаки. Р. Де Валуа обнаружил, что многие клетки коленчатого тела активировались рассеянным монохроматическим светом в диапазоне от одного конца спектра до точки скрещения, где реакция отсутствовала, и подавлялись светом во втором диапазоне — от точки скрещения до другого конца спектра. И вновь аналогия с цветовыми процессами Геринга была полной: Де Валуа выявил оппонентно-цветовые клетки двух типов, красно-зеленые и желто-синие; у каждого типа смешение двух световых волн, длины которых на волновой шкале располагались симметрично относительно точки скрещения, приводило к взаимному погашению реакций точно так же, как в восприятии добавление синего к желтому или зеленого к красному порождает белый. Результаты опытов на обезьянах особенно хорошо согласовались с формулировками Геринга, поскольку две группы цветовых клеток имели максимумы реакции и точки скрещения точно в тех местах спектральной шкалы, чтобы одна группа могла отражать «желто-синие» свойства падающего света, а другая группа — «красно-зеленые».

Следующий этап состоял в том, чтобы рассмотреть рецептивные поля этих клеток, используя вместо рассеянного света маленькие цветные пятнышки. У рецептивных полей большинства оппонентно-цветовых клеток Де Валуа обнаружилась удивительная организация. Клетки, как и у кошек по данным Куффлера, имели поля, разделенные на два антагонистических участка — центр и периферию. Центр мог быть типа on- или off-. В типичном случае центр представлен исключительно красными, а тормозящая периферия исключительно зелеными колбочками. Поэтому при красном как маленькое, так и большое пятно вызывает энергичную реакцию, поскольку центр избирательно чувствителен к длинноволновому свету, а периферия на него почти не реагирует; при коротковолновом свете маленькие пятна дают лишь очень слабую реакцию или не вызывают ее вовсе, а большие порожда-

ют сильное торможение с о//-реакциями. При белом свете, содержащем короткие и длинные волны, малые пятна вызывают on-реакции, а большие не вызывают ответа.

Реакция на диффузный свет — в данном случае on-реакцйи на красный, о//-реакции на синий и зеленый и отсутствие реакции на белый свет — показывает, что такая клетка должна отвечать на цветовой стимул. Но реакция на цветовые края и отсутствие ответов на диффузный свет говорит о том, что эта клетка связана и с восприятием формы. Эти клетки получили название «тип 1».

В четырех верхних слоях были найдены клетки еще двух типов. Клетки «типа 2» составляют около 10% нейронной популяции и имеют рецептивные поля, состоящие только из центра. Повсюду в этом центре у некоторых клеток выявляется красно-зеленая, а у остальных — сине-желтая оппонентность. Рецептивные поля еще примерно у 15% клеток в четырех верхних слоях коленчатого тела и у всех клеток в двух нижних крупноклеточных слоях имеют центр и периферию, но эти клетки не проявляют цветовых предпочтений; создается впечатление, что центр и периферия их полей получают одинаковый относительный вклад от всех трех видов колбочек. Эти клетки считаются широкополосными и называются клетками «типа 3». Все эти данные согласуются с моделью Геринга: кроме классов клеток с цветовой оппонентностью есть также третий класс, не обладающий этим свойством, но с широкополосной пространственной оппонентностью.

Вентральная (нижняя) пара слоев коленчатого тела отличается от четырех дорсальных слоев тем, что состоит исключительно из клеток с широкополосными центрами полей. Эти клетки проявляют любопытную форму цветовой оппонентности. Центры их полей в несколько раз крупнее, чем центры нейронов мелкоклеточных слоев, и у них есть ряд других интересных особенностей. Предполагается, что эти клетки обслуживают отделы мозга, играющие важную роль в восприятии формы, глубины и движения. Большинство типов клеток, описанных для нейронов коленчатого тела, встречается также и в сетчатке. В коленчатом теле они больше обособлены, что облегчает их изучение.

7.3.3. Цветочувствительные нейроны коры

Эксперименты, которые выполнялись на нейронах зрительной коры, показали, что лишь немногие клетки чувствительны к цвету. При картировании рецептивных полей при помощи черных и белых полосок переход к цветовым стимулам давал точно такой же резуль-

266

Глава IV Психофизиология зрительного восприятия

7 Неиробиология цветового зрения

267

тат — не было влияния на интенсивность ответа цветовых стимулов. Однако у некоторых клеток, составлявших примерно десятую часть всех нейронов верхнего слоя коры, обнаруживались цветовые предпочтения. Клетки более отчетливо отвечали на предъявление цветных полосок, чем на белый и черный стимул. Тем не менее, большая часть клеток коры к цвету оказалась совершенно нечувствительной. Это удивительно, так как на более низком уровне — наружном коленчатом теле — очень большая часть клеток кодирует информацию о цвете и передает ее кортикальным нейронам. Непонятно, что же происходит с этой информацией при ее передаче на более высокий уровень обработки зрительных изображений.

В 1978 г. появились данные, полученные в результате гистохимических исследований зрительной коры: при окрашивании коры для выявления фермента цитохромоксидазы — фермента, который есть во всех клетках и участвует в клеточном метаболизме — в верхних слоях появлялась неоднородность — темноокрашенные участки шириной около 250 мк чередовались с неокрашенными шириной около полумиллиметра. На препаратах срезов первичной зрительной коры, выполненных параллельно ее поверхности, выявился узор, напоминающий горошек. Эти неоднородности получили название «пузырьки». В нейрофизиологических экспериментах важно было произвести регистрацию электрической активности нейронов, образующих эти «пузырьки», исследовать структуру их рецептивных полей и цветочувствительность. Результат оказался совершенно неожиданным. Проходя расстояние в 0,25 мм, равное диаметру пузырька, можно исследовать примерно пять или шесть клеток. Всякий раз при пересечении пузырька попадавшиеся на пути электрода клетки были полностью лишены ориентационной избирательности, что заметно контрастировало с высокой ориентационной избирательностью клеток, расположенных вне пузырьков. Этому отсутствию ориентационной специфичности можно было бы дать объяснение: эти клетки могли неизбирательно получать входные сигналы от соседних ориентационных клеток, лежащих вне пузырьков, и поэтому еще способны были отвечать специфической реакцией на линии (полоски и т.п.), но после объединения всех возможных ориентации всякое предпочтение какой-либо из них исчезало. Или могли быть похожими на клетки коленчатого тела или на корковые клетки слоя 4С и, таким образом, быть проще внепузырько-вых ориентационно-избирательных клеток. Вскоре был получен ответ на этот вопрос: оказалось, что большинство этих клеток имеет рецептивные поля с центром и периферией. Специально выполненные эксперименты показали, что многие из них участвуют в кодировании цвета. Больше половины пузырьковых клеток имели оппонентно-цве-

товые рецептивные поля с центром и периферией, но вели себя явно более сложным образом, чем клетки «типа 1» наружного коленчатого тела. Они практически не отвечали на белые пятна любых размеров и формы. Но на небольшие цветные стимулы, вспыхивающие в центре рецептивного поля, они энергично реагировали в одном диапазоне длин волны и затормаживались в другом диапазоне; некоторые активировались длинными волнами (красным светом) и подавлялись короткими (зеленым и синим светом), другие вели себя противоположным образом. Как и среди клеток коленчатого тела, можно было в зависимости от положения максимальных реакций на спектральной шкале выделить два класса клеток — красно-зеленые и сине-желтые (здесь «красный», «зеленый» и «синий» указывают на соответствующие типы колбочек, а слово «желтый» — на параллельные входы от красных и зеленых колбочек). Таким образом, эти клетки весьма напоминали оппонентно-цветовые клетки коленчатого тела, обладающие только центром («тип 2»). Но в отличие от клеток «типа 2» эти цветокодирующие пузырьковые клетки чаще всего отвечали на большие белые или цветные пятна, каков бы ни был спектральный состав света. Они вели себя так, как если бы центральная система рецептивного поля была у них окружена кольцом оппонентности. Если говорить о наиболее распространенном типе клеток, то центр типа r+g~ (красный-оя, зеленый-q//), казалось, окружен у них кольцом типа rg^ (красный-q//, зеленый-огс).

Эти клетки получили название двойные оппонентные из-за их красно-зеленой или желто-синей оппонентности в центре и антагонизма периферии по отношению к любой реакции в центре, будь она on- или off-. Поэтому они не отвечают не только на белый свет в любой геометрической конфигурации, но и на большие пятна, независимо от их спектрального состава. Центры рецептивных полей, как и у клеток «типа 2», были в несколько раз больше, чем у клеток коленчатого тела «типа 1».

Вперемешку с двойными оппонентными клетками обоих классов (красно-зелеными и желто-синими) встречались и обычные широкополосные клетки с центром и периферией. Эти широкополосные клетки отличались от клеток верхних слоев коленчатого тела и от клеток слоя АС коры более крупными размерами своих центров. В настоящее время мы можем лишь гадать, какова схема связей двойных оппонент -ных клеток. Ясно, что каким-то образом двойная оппонентность должна достигаться: либо ее источник находится на нижних уровнях, либо это происходит в коре. Поэтому кажется, что исходное предположение о раздельном анализе цвета и формы как разных аспектов восприятия находит подтверждение в виде физического обособления пузырько-

fcbi

268

Глава IV Психофизиология зрительного восприятия

8 Два глаза

269

вых и непузырьковых участков первичной зрительной коры. В областях выше стриарной коры — в зрительной зоне 2 и даже еще выше — эта обособленность сохраняется.

Открытия, сделанные в области механизмов восприятия цвета при объединении психофизических и нейрофизиологических методов, помогают понять такие явления, как результаты смешения цветов или константность цвета.

8. Два глаза

Многие органы тела парные, однако глаза (как и уши) отличаются тем, что работают в тесном взаимодействии: они вместе воспринимают и сличают информацию, так что совместно выполняют работу, которая недоступна для одного глаза или уха.

Воспринимаемые изображения размещаются в глазах на изогнутой поверхности сетчатки, однако, несмотря на это, их можно назвать двумерными. Удивительным в работе зрительной системы является ее способность синтезировать два различных изображения в единое целостное изображение объектов, расположенных в трехмерном пространстве. У некоторых животных зрительные оси направлены в противоположные стороны — это характерно для животных с латеральным расположением глаз. Переход в расположении глаз от бокового к фронтальному, благодаря чему стала возможной точная оценка расстояния, сыграл важную роль в тот период, когда у млекопитающих развивались передние конечности, способные держать предметы, манипулировать ими и цепляться за ветки деревьев. Для животных, которые прыгают с ветки на ветку, быстрая и точная оценка расстояния близких объектов очень важна, и работа обоих глаз, которые совместно дают стереоскопическое зрение, в высшей степени продуктивна. Кошка имеет фронтальное расположение глаз, работающих совместно, однако у них плотность фоторецепторов приблизительно одинакова по всей сетчатке.

На сетчатке животных с фронтальным расположением глаз сформировалось особое место, где плотность рецепторов наиболее высока — это фовеа. Она возникает только тогда, когда становится необходимой точная оценка глубины воспринимаемого изображения, как это имеет место у птиц или живущих на деревьях обезьян; у них развита фовеальная область сетчатки и существует точный контроль движений глаз. Стереоскопическое зрительное восприятие движений также обеспечивается парными фасеточными глазами насекомых Оно высоко развито у таких насекомых, как стрекоза, которая хватает свою добычу на лету на большой скорости. Фасеточные глаза неподвижно за-

креплены на голове, и механизм их стереоскопического зрения проще,
чем у обезьян или человека, у которых отражение объектов на фовеа
при различных расстояниях от объекта осуществляется с помощью
конвергенции глаз. «

Стереоскопическое зрение (стереопсис) — это способность воспринимать глубину пространства и оценивать удаленность предметов от глаз. Наше знакомство с основами бинокулярного зрения начнется с выяснения вопроса о физиологическом соответствии обеих сетчаток. Если мы будем смотреть на любую звезду двумя глазами, а затем закроем один глаз, не меняя при этом положения головы, то кажущиеся направления, в каких нам до того виделись на небе звезды, не изменяются. Это означает, что при параллельно направленных зрительных линиях обоих глаз изображения удаленных предметов, падающих на сетчатку, видятся в одних и тех же местах пространства независимо от того, падают эти изображения на сетчатку правого глаза или на сетчатку левого глаза, или же на обе сетчатки сразу. Следовательно, некоторым местам одной сетчатки соответствуют определенные места другой сетчатки, т.е. раздражающие их объекты видятся нами в одних и тех же местах пространства. Такие места сетчаток носят название корреспондирующих точек. Они характеризуются тем, что возбуждение их дает ощущение одного объекта в поле зрения. Мы хорошо знаем, что все, что мы фиксируем, т.е. то, что направляем в центральную ямку сетчатки, видится нами одиночно. Поэтому прежде всего центральные ямки сетчатки следует признать корреспондирующими точками. Корреспондирующими точками сетчаток являются также и все те места сетчаток, которые лежат в одном и том же направлении и на одном и том же расстоянии от центральной ямки сетчатки. При каждом положении глаз этим корреспондирующим точкам сетчаток соответствуют строго определенные точки во внешнем пространстве. Совокупность всех точек пространства, которые дают изображение на корреспондирующих местах сетчаток, называется гороптером. Для разных положений глаз гороптер имеет разную форму.

Раздражение корреспондирующих точек вызывает впечатление одиночного предмета. Что же происходит, если изображение предмета падает в обоих глазах на некорреспондирующие, диспаратные точки сетчатки? В этих случаях могут возникать двойственные изображения.

В существовании их легко убедиться на следующем опыте Возьмем два тонких карандаша или лучше две спицы а и b и будем держагь перед глазами так, чтобы они находились на одной прямой, в медиальной плоскости головы и отстояли дру1 oi друга приблизительно на 15-20 см Будем фиксировать дальнюю спицу а в таком случае изображение от ближней спицы b упадет па диспаратные точки сетчатки (в чевом глазу - влево, в нравом глазу - вправо or центральной ямки) Сообразно с этим мы

270

Глава IV. Психофизиология зрительного восприятия

8. Два глаза

271

увидим спицу b в двойном виде. При этом двойственные изображения носят перекрестный характер. Левое изображение видится правым глазом, а правое — левым. Если же фиксировать ближнюю спицу Ь, то раздвоится дальняя спица а. Возникающие в этих условиях двойственные изображения будут одноименными. Правый глаз будет видеть правое изображение, а левый — левое. Подобное различие в характере двоения объясняется тем, что раздражения, падающие на сетчатке влево от центральной ямки, мы относим к предметам, находящимся вправо от фиксируемой точки.

Но всегда ли в случае раздражения диспаратных точек возникает двоение? Оказывается, что не всегда. Если несоответствие раздраженных мест сетчатки не чрезмерно и если это несоответствие к тому же носит односторонний характер (т.е. в обоих глазах раздражение попадает только на левые или только на правые половины сетчатки), то вместо двоения у нас возникает новое впечатление — впечатление большей или меньшей удаленности данного объекта по сравнению с фиксируемым. Таким образом, известное несоответствие изображении на сетчатке дает нам возможность судить об относительной удаленности предмета.

Существует взаимосвязь между двумя механизмами, описанными выше: конвергенцией глаз, которая служит своего рода дальномером, и различием между двумя изображениями, называемым диспаратнос-тью. Угол конвергенции является регулятором системы диспаратнос-ти. Когда глаза фокусируют отдаленный предмет, любая диспарат-ность между изображениями означает большие различия по глубине, чем в тех случаях, когда глаза конвергируют для восприятия близко расположенных объектов. Если бы этого не было, отдаленные предметы казались бы ближе друг к другу по глубине, чем близкие предметы, расположенные на том же расстоянии друг от друга, потому что дис-паратность тем больше, чем ближе находятся предметы. Действие механизма координации, компенсирующего эти геометрические соотношения, довольно легко наблюдать, если нарушить конвергенцию, сохранив прежнюю диспаратность. Мозговые механизмы, обеспечивающие стереоскопическое восприятие глубины, могут интегрировать наборы линий, воспринимаемые каждым глазом отдельно, синтезировать объекты из двух случайных структур и эффективно находить диспаратность.

8.1. Бинокулярная конвергенция

Глаза — парный орган. Очевидный интерес представляет вопрос: получает ли определенная корковая клетка входные сигналы от обоих глаз, и если да, то одинаковы ли эти входы в количественном и качественном отношении?

Для того чтобы получить ответ, необходимо вернуться к наружному коленчатому телу (НКТ) и выяснить, есть ли на этом уровне ней-

роны, имеющие входы от обоих глаз. НКТ — это самый низкий уровень, на котором уже возможно объединение сигналов от двух глаз на одной клетке. Однако возможность эта, по-видимому, здесь не реализована — два пучка входных волокон распределяются по разным кле- . точным слоям, между которыми нет или почти нет взаимодействия. Как можно было бы ожидать, учитывая раздельность проекций от двух глаз, отдельная клетка НКТ отвечает на стимуляцию одного какого-то глаза и совсем не реагирует на стимуляцию другого. Судя по результатам некоторых экспериментов, стимулы, подаваемые на «чужой» для данной клетки НКТ глаз, могут оказывать слабое воздействие на реакцию, вызываемую со «своего» глаза. Однако можно считать, что каждая клетка находится под контролем только одного глаза. Пути, идущие от каждого глаза, должны сойтись вместе, так как мы, глядя на что-либо, видим одну целостную картину. Повседневный опыт говорит о том, что если закрыть глаз, то большого изменения не произойдет — предметы будут казаться такими же четкими, такими же реальными и такими же яркими. Общее поле зрения для двух глаз будет несколько шире, поскольку каждый глаз видит на своей стороне большую область пространства, чем другой глаз, хотя эта разница составляет всего лишь около 20—30°. Существенное отличие бинокулярного зрения от монокулярного состоит в ощущении глубины.

В коре обезьяны те клетки, которые получают входные сигналы от НКТ и имеют концентрические рецептивные поля, сходны с клетками НКТ в том, что они тоже монокулярные. На этом корковом уровне обнаружено примерно одинаковое число клеток, возбуждающихся от левого и от правого глаза, по крайней мере в тех участках коры, которые обслуживают область поля зрения в радиусе около 20° от центральной точки фиксации. Однако на следующем уровне коры выявляются уже бинокулярные клетки, простые и сложные, причем у обезьян больше половины таких клеток могут реагировать на сигналы от каждого из глаз независимо.

При обнаружении бинокулярной клетки, можно очень точно сравнить ее рецептивные поля в обеих сетчатках. Сначала при закрытом правом глазе животного картируется рецептивное поле клетки в левом глазу. При этом определяется его точное положение на экране или на сетчатке, а также его сложность, ориентация и расположение возбуждающих и тормозных зон. При картировании рецептивного поля определяется его микроструктура — выясняется, простое оно или сложное, исследуется возможность реагировать на конец линии и дирекциональная чувствительность. После этого повторяется вся процедура измерений для правого глаза при закрытом левом. Оказалось, что у большинства бинокулярных клеток все свойства, выявляемые в

272

I лава IV Пспхофизиочогия зрительно! о восприятия

8 Два глаза

273

опытах с левым глазом, обнаруживаются и при стимуляции правого глаза — то же положение на сетчатке, та же дирекциональная чувствительность. Это позволяет заключить, что все связи, идущие к данной клетке от левого глаза, совпадают по структуре со связями, идущими от правого глаза

Говоря о таком дублировании связей, нужно сделать одно уточнение Если, определив для клетки оптимальный стимул, его положение, ориентацию, направление движения и т д, сравнить ее ответы при стимуляции одного глаза и при стимуляции другого, интенсивность реакции не всегда окажется одинаковой Некоторые клетки действительно одинаково хорошо активируются от обоих глаз, однако другие явно дают более сильный разряд при стимуляции определенного глаза. В целом, за исключением той части корковых клеток, которые обслуживают периферию поля зрения, не обнаруживается никакого особого преимущества того или другого глаза — в каждом полушарии число клеток, лучше активируемых с противоположной стороны (от контралатерального глаза) и с той же стороны (от ипсилатерального глаза), примерно одинаково При этом встречаются все степени относительного доминирования глаза, начиная от клеток, возбуждаемых исключительно с левого глаза, и кончая клетками, отвечающими только на стимуляцию правого глаза

Можно оценить численность различных групп нейронов, сформированных по принципу наибольшей эффективности Все изученные клетки можно произвольно разбить на классы, в зависимости от того, отвечают они на стимуляцию сразу двух глаз, только одного какого-либо глаза или же того и другого, но отдавая преимущество какому-то из них Получается семь классов по относительной эффективности воздействия на них того или другого глаза (рис 18) Результаты представлены на гистограммах для кошки и обезьяны. Здесь сразу налицо сходство и различие в распределении клеток у этих животных Видно, что у обоих видов бинокулярные клетки встречаются достаточно часто, причем среди клеток с односторонним доминированием хорошо представлены оба глаза, что у кошек бинокулярных клеток очень много, что у обезьян численность монокулярных и бинокулярных клеток примерно одинакова, причем у бинокулярных клеток достаточно сильно выражено доминирование одного глаза (группы 2 и 5) Гистограммы показывают, что реже всего встречаются клетки, испытывающие одинаковые влияния от каждого глаза

Отвечают ли бинокулярные клетки при стимуляции обоих глаз лучше, чем при стимуляции одного глаза? Оказывается, многие клетки работают именно так — при стимуляции одного глаза они активируются слабо или не возбуждаются совсем, а при раздражении, посту-

пающем от двух глаз, дают сильный импульсный разряд Особенно ярко это проявляется в том случае, когда оба глаза стимулируются одновременно и совершенно одинаково Эффект синергии у многих клеток выражен слабо или не отмечается вовсе — такие клетки отвечают на стимуляцию обоих глаз примерно так же, как и на стимуляцию каждого глаза по отдельности

Рис 18 Распределение нейронов по группам глазодоминирования В первую группу входят клетки, на которые влияет только один контралатеральный глаз, во вторую — клетки, испытывающие влияние двух глаз, но преимущественно контралатерального, в третью и четвертую — отвечающие только при стимуляции сразу двух глаз и т д

(по Хьюбелу)

8.2. Механизмы взаимодействия двух глаз

Связи одиночных клеток с двумя глазами еще раз указывают на высокую степень специфичности соединений в мозгу. Входные системы связей данной клетки позволяют ей отвечать только на линию определенной ориентации и лишь на одно направление движения Кроме того, эти системы представлены двумя копиями, по одной от каждого глаза Как показывают опыты, выполненные на животных разного возраста, большинство связей, по-видимому, должно быть сформировано и готово к работе уже к моменту рождения животного

18-1015

274

Глава IV Психофизиология зрительного иосприятия

8 Два!лаза

275

8.2.1. Колонки глазодоминантности

Организация нейронов стриарной коры, проявляющих свойство глазодоминирования, наиболее интенсивно и продуктивно разрабатывалась в исследованиях Д. Хьюбела, Т. Визела, С.Ле Вея и других Опыты этих исследователей показали, что группы клеток стриарной коры с различной глазодоминантностью довольно многочисленные и были обнаружены раньше всех других функциональных организаций, объединявших нейроны, специализированные на выделении каких-либо других признаков. Разработано много методов исследования таких группировок, поэтому они сейчас лучше всего изучены.

В опытах Д. Хьюбела и Т. Визела (1962) было обнаружено, что, когда микроэлектрод входит в кору перпендикулярно ее поверхности, он встречает одну за другой клетки, лучше реагирующие на стимуляцию одного и того же глаза. Если микроэлектрод ввести в другом месте в нескольких миллиметрах от предыдущего, снова для всех встречающихся клеток доминирующим будет один глаз — тот же, что и раньше, или другой В слое АС, имеющем входы непосредственно от НКТ, доминирование одного глаза становится уже не относительным, а абсолютным. В тех же слоях, которые расположены выше и ниже и находятся дальше в цепи синаптических переключений, более половины всех клеток могут возбуждаться и от недоминирующего глаза. Такие клетки называются бинокулярными.

Если электрод вводили с наклоном к поверхности коры, как можно ближе к линии, параллельной поверхности, то клетки с разной глазодоминантностью чередовались — доминирующим был то один глаз, то другой. Полный цикл этой смены соответствовал примерно одному миллиметру. Очевидно, если бы можно было видеть структуру коры сверху, она представлялась бы мозаикой, составленной из чередующихся зон с доминированием правого и левого глаза.

Чем обусловлено такое чередование, стало ясно после разработки нового метода окраски, позволяющего прослеживать ветвление отдельных аксонов, приходящих из НКТ, и распределение их окончаний в коре. Ветвление одного аксона таково, что тысячи его концевых синапсов образуют в слое АС два или три скопления шириной 0,5 мм, разделенных промежутками около 0,5 мм. Поскольку клетки НКТ монокулярные, каждый отдельный аксон связан в конечном счете либо с правым, либо с левым глазом Предположим, что аксон — это одно из волокон, приходящих от левого глаза; в этом случае каждое входящее

в тот же участок коры волокно, связанное с левым г пазом, будет разветвляться в тех же скоплениях окончаний величиной ОД мм каждое Промежутки между этими скоплениями размером тоже 0,5 мм будут заняты концевыми разветвлениями волокон от правого глаза Такой особый тип распределения аксонов из НКТ в слое АС сразу позволяет объяснить строгую монокулярность клеток в этом слое.

Для того, чтобы избирательно окрашивать только одно волокно, требовался новый метод, и он был предложен в конце 70-х гг. Этот метод основан на использовании аксонного транспорта — процесса, в результате которого различные материалы (белки или даже более крупные частицы) непрерывно переносятся в обоих направлениях внутри аксона. Некоторые из них транспортируются со скоростью нескольких сантиметров в час, другие — нескольких миллиметров в сутки. Для того, чтобы окрасить одиночный аксон, с помощью микропипетки в него вводят вещества, о которых известно, что они переносятся по аксону, но не влияют на структуру клетки (например, фермент пероксидазу из хрена) Фермент распространяется по аксону в обоих направлениях и катализирует химическую реакцию, продукт которой очень эффективно окрашивает клетку. Поскольку фермент служит катализатором, достаточно ничтожных его количеств, чтобы получить интенсивную окраску. Важно и то, что в самой нервной ткани фермента с подобными свойствами нет: это исключает возможность нежелательной окраски фона.

Организацию нейронов в колонки глазодоминантности, проходящие в коре от поверхности мозга вплоть до белого вещества, подтвердили и морфологические данные: группы клеток в слое АС служат главными местами передачи зрительной информации в клеточные слои, лежащие выше и ниже этого слоя. Наличие некоторого числа горизонтальных и диагональных связей длиной около миллиметра, идущих по всем направлениям, должно приводить к некоторому размыванию четких зон доминирования правого или левого глаза в слоях, расположенных выше и ниже слоя АС Поэтому можно ожидать, что клетка, расположенная прямо над центром зоны доминирования левого глаза в слое 4, будет явно лучше отвечать на стимуляцию этого глаза, а, возможно, и полностью контролироваться им, тогда как клетка, расположенная ближе к границе между участками разной глазодоминантности, может оказаться бинокулярной без какого-либо доминирования одного из глаз. Действительно, при горизонтальном продвижении электрода в верхнем слое коры или же в слое 5 или 6 отмечаются постепенные изменения глазодоминантности' сначала будут встречаться клетки, намного сильнее активируемые одним глазом, затем клетки, у которых эта асимметрия выражена слабее, потом

18*

276

Глаиа IV Психофизиология зрительного восприятия

8 Диа глаза

277

клетки с равной зависимостью от обоих глаз, после чего начнет усиливаться влияние другого глаза. Такие плавные переходы контрастируют с той внезапной сменой глазодоминантности, которая наблюдается при движении электрода. Если смотреть «сбоку», две совокупности клеток в слое АС выглядят как чередующиеся участки. Однако исследователям хотелось узнать, как будет выглядеть распределение этих участков при взгляде на поверхность коры сверху. Если бы они были отмечены на поверхности коры черным или белым цветом, то их пространственное размещение могло быть представлено несколькими разными способами: в шахматном порядке, в виде чередующихся черных и белых полос, в виде черных пятен на белом фоне или же могли быть использованы любые комбинации этих паттернов.

За последнее десятилетие были разработаны очень эффективные методы нейроморфологических исследований, и сейчас поставленная задача уже решена несколькими способами. Первый способ основан на использовании аксонного транспорта. Берут небольшое количество органического вещества (например, аминокислоты, меченной радиоактивным изотопом — С14) и инъецируют в один глаз обезьяны. Вещество захватывается клетками глаза, в том числе и ганглиозными клетками сетчатки. Помеченные молекулы, по-видимому уже включенные в состав белков, переносятся по аксонам ганглиозных клеток и их окончаниям в НКТ. Здесь они накапливаются в слоях, связанных с левым глазом. Для переноса метки требуется несколько дней. Затем из ткани приготовляют тонкие срезы, накладывают на них фотоэмульсию и оставляют на несколько дней в темноте. В результате получается радиоавтограф, на котором можно увидеть в каждом из двух НКТ по три слоя, связанных с левым глазом. Черные области, где образовались зерна, в одном НКТ расположены так, как светлые области в другом.

Для наблюдения такой картины организации НКТ требуется ввести в глаз совсем немного радиоактивного вещества. Введение большого количества радиоактивного вещества способствует излишней концентрации его в слоях НКТ, что ведет к переходу части радиоактивной метки из окончаний волокон зрительного нерва в клетки НКТ (в пределах меченых слоев) и дальнейшей транспортировке по их аксонам в стриарную кору. В результате метка накапливается в окончаниях слоя АС, образуя регулярный узор, соответствующий инъекцииро-ванному глазу. Когда радиоавтограф готов (для этого нужно несколько месяцев, так как концентрация меченого вещества, дошедшего до коры, очень низка), то на поперечном срезе коры в слое АС видны места накопления метки.

Если сделать срез коры параллельно ее поверхности, то можно увидеть распределение колонок так, как если бы мы смотрели на по-

верхность коры сверху. Четко выраженный набор параллельных полосок виден как на одиночном срезе, так и на реконструированном изображении. На всех этих радиоавтографах коры меченые участки выглядят светлыми, а немеченые промежутки между ними — проекции правого глаза — темными. Поскольку из слоя 4 пути к верхним и нижним слоям идут главным образом в вертикальном направлении, прямо вверх и вниз, то в трехмерном пространстве зоны глазодоминантности образуют систему чередующихся ломтиков, соответствующих правому и левому глазу.

Другой способ, примененный С. Ле Веем (рис. 19), позволил осуществить реконструкцию вида всей стриарной коры в затылочной доле. Распределение полос оказалось наиболее регулярным и четким на некотором расстоянии от корковой проекции центральной ямки. Вблизи этой проекции узор по неизвестным причинам наиболее сложен, он отличается регулярностью, но содержит много петель и завитков, поэтому он здесь мало похож на тот правильный узор, напоминающий рисунок обоев, который характерен для областей коры, более удаленных от проекции центральной ямки. Ширина полосок везде постоянна и равна примерно 0,5 мм. В процентном отношении корковые представительства правого и левого глаза примерно равны, пока речь идет о проекции центральной области сетчатки диаметром около 40°.

Рис 19 Распределение зон доминантности при окраске по Ле Вею.

Второй метод изучения колонок глазодоминантности позволяет выявлять их во всей толще коры, а не только в слое 4. Он основан на способности меченой 2-дезоксиглюкозы засвечивать фотопленку. В основе его лежит тот факт, что нейроны, как и большинство других клеток организма, поглощают глюкозу, и, чем интенсивнее им приходится работать, тем больше глюкозы они потребляют. Животному впрыскивают радиоактивную глюкозу, а затем стимулируют один глаз в течение нескольких минут, предъявляя какую-либо фигуру. После этого мозг извлекают, делают срезы и покрывают их фотоэмульсией, а затем после надлежащей экспозиции получают, как и в предыдущем

278

Глава IV Психофизиология зрительного восприятия

8 Два i чаза

279

случае, радиоавтограф. Рассматривая радиоавтограф, можно получить представление о том, какие участки мозга были наиболее активны в период стимуляции и накопили больше всего меченой глюкозы. Если бы в ходе опыта животное делало движения лапой, то на радиоавтографе выявился бы также соответствующий участок моторной зоны коры. То, что мы видим после стимуляции правого глаза, — это та часть вещества коры, которая была в наибольшей степени возбуждена данным стимулом, а именно — набор колонок глазодоминантности для правого глаза.

Колонки глазодоминантности выявлены у кошек, некоторых низших обезьян, шимпанзе и человека. У грызунов и тупайи их не нашли.

Разделение мозга на участки с функционально специализированными колонками было обнаружено не только в стриарной коре. Впервые такие специализированные функциональные образования были описаны в 60-х гг. для нейронов соматосенсорной коры. О колонковой организации исследователи говорят, когда некоторое свойство клеток остается постоянным во всей толще коры от поверхности до белого вещества, но изменяется в направлениях, параллельно поверхности коры. Этот термин («колонковая организация») не применяют, когда речь идет о топографическом отображении, т.е. о проекции расположения рецептивных полей на сетчатке или на поверхности тела.

8.2.2. Формирование колонок глазодоминантности

Является ли организация бинокулярно управляемых нейронов в колонки глазодоминантности врожденной? Очевидный способ получения сведений о колонках глазодоминантности у новорожденных животных заключался в проверке распределения волокон, входящих в слой АС, при помощи инъекции метки в глаз на первый или второй день жизни. Результаты таких исследований показали, что вместо четких, ясно очерченных полосок в слое АС наблюдается непрерывное распределение метки. Радиоавтограф не показывает никаких признаков колонок. Очевидно, волокна, растущие от коленчатого тела в кору, не разветвляются сразу же к областям, связанным с левым и с правым глазом. Они сначала посылают свои ветви повсюду в радиусе нескольких миллиметров и лишь позднее, приблизительно к моменту рождения животного, втягиваются обратно и окончательно распределяются. Слабая волнистость у новорожденного показывает, что втягивание началось еще до рождения. Инъецируя метку в один глаз в различные моменты после рождения, исследователи установили, что в первые

две или три недели в слое 4 происходит постепенное втягивание окончаний, так что к четвертой неделе формирование полосок завершается. Узор из полосок, их периодичность с шагом 0,8 мм, таким образом, являются врожденными.

Дальнейшие исследования показали, что надлежащие связи могут создаваться и без участия индивидуального опыта. В экспериментах по искусственному закрыванию глаз при помощи сшивания век было установлено, что окончательная картина чередования полос для левого и правого глаза в корковом слое АС развивается нормально даже в случае лишения животного потока зрительной информации. В процессе развития входные волокна от обоих глаз конкурируют в слое АС таким образом, что если входы от одного из глаз в каком-то месте преобладают, то преимущество этого глаза имеет тенденцию увеличиваться, а число входов от другого глаза соответственно убывает. Даже небольшое начальное неравенство при этом постепенно увеличивается, пока всюду в слое 4 (при возрасте животного до одного месяца) не появятся отчетливые полоски с полным доминированием. При закрытом глазе баланс нарушается, и на границах полосок открытый глаз получает преимущество.

В опытах были получены решающие доказательства роли конкуренции в атрофии клеток коленчатого тела. Сначала при разрушении у котенка крошечного участка одной сетчатки в области бинокулярного поля зрения и зашивании другого глаза в небольшой зоне того слоя коленчатого тела, на который проецировался глаз с локальным повреждением, была обнаружена сильно выраженная атрофия. В слое, имевшем входы от другого, ранее закрытого глаза, также наблюдалось сморщивание клеток.

8.3. Пластичность зрительной системы

До сих пор мы представляли себе мозг как некий полностью сформированный механизм. Нас интересовало то, каким образом соединены между собой его части, как эти части функционируют в каждодневных ситуациях, как они обслуживают интересы животного. Все это, однако, оставляло открытым совершенно иной и чрезвычайно важный вопрос: как этот механизм создается?

Для того чтобы мозг нормально функционировал, потоки нервных сигналов должны находить правильные пути среди клеток различных функциональных систем. До сих пор остается загадкой, каким образом аксоны и дендриты той или иной нервной клетки растут таким образом, чтобы создавались специфические связи, необходимые для ее функционирования. Между тем тот факт, что конкретные молеку-

280

I лава IV Психофизиология зрительного восприятия

8 Два глаза

281

лярные механизмы, лежащие в основе многих процессов онтогенеза, еще не раскрыты, не должен заслонять от нас другой, еще более поразительный факт — из поколения в поколение в мозгу развивающихся животных действительно устанавливаются нужные связи. В этой проблеме есть две главные составляющие: первая — это генетическая предопределенность связей между нейронами, а вторая — пластичность и обновление этих связей в течение жизни данного организма. Развитие мозга в значительной мере происходит до рождения животного, в материнской утробе. Исследования в области сравнительной нейроанатомии говорят о том, что по фундаментальному плану строения мозг мало изменился в процессе эволюции. Нейроны специализированного зрительного рецепторного органа — сетчатки — всегда соединяются с вторичными нейронами зрительной, а не слуховой или осязательной системы. Специфичность связей характерна для любой системы мозга. Конечное состояние мозга — это результат как пренатального, так и постнатального развития. Это развитие включает, во-первых, созревание как таковое, определяемое внутренними свойствами организма и происходящее до и после момента рождения; во-вторых, оно предполагает постна-тальное созревание, определяемое тренировкой, обучением, образованием и опытом.

Общий диапазон связей для большинства нервных клеток предопределен, причем эта предопределенность касается генетически контролируемых свойств. Набор генов, предназначенных для проявления в развивающейся нервной клетке, определяет как будущий тип каждой нервной клетки, так и принадлежность ее к той или иной сети. Концепция генетической детерминированности пригодна и для всех остальных особенностей данного нейрона — например для используемого им медиатора, для размеров и форм клетки. И внутриклеточные процессы, и межнейронные взаимодействия определяются генетической специализацией клетки.

Хотя общая картина связей специфических функциональных сетей удивительно сходна у всех представителей одного вида, опыт каждой отдельной особи может оказывать дальнейшее влияние на межнейронные связи, вызывая в них индивидуальные изменения и корректируя их функцию. Представим себе, например, что в мозгу большинства крыс каждый нейрон 3-го уровня в зрительной системе соединен примерно с 50 клетками-мишенями 4-го уровня — сравнительно небольшая дивергенция в системе, характеризующейся в остальном четкой иерархией. Что произойдет, если крыса вырастет в полной темноте? Дефицит входной информации приведет к перестройке зрительной иерархии, так что каждый нейрон 3-го уровня

будет контактировать только с 5 или 10 нейронами 4-го уровня вместо обычных 50. Однако результаты гистологических опытов показывают, что у нейронов 4-го уровня нет недостатка во входных синапсах. По-видимому, статичность макроскопического строения нервной системы заслонила факт постоянного роста и отмирания связей. Предполагается, что нейроны в нормальном состоянии все время образуют новые связи со своими мишенями. Как только новые синапсы сформировались, старые разрушаются. Такое замещение, вероятно, может компенсировать изнашивание связей в результате их длительной и непрерывной работы.

Хотя испытанное временем представление о том, что наш мозг не может регенерировать утраченные клетки, остается по-прежнему справедливым, однако исследования последних лет показывают, что здоровые нейроны обладают значительной структурной пластичностью. Этот более динамичный взгляд на изменчивость мозга открывает широкое поле для исследований

Пренатальное развитие — тема гигантская. Один из самых интересных и самых трудных вопросов состоит в том, как отдельные нервные волокна огромного пучка отыскивают место своего назначения. Глаз, коленчатое тело и кора, например, формируются независимо друг от друга; по мере их созревания растущие из них аксоны должны делать выбор из множества альтернатив. Волокно зрительного нерва должно прорасти через сетчатку к слепому пятну, затем пройти в составе зрительного нерва к хиазме и принять здесь решение о том, следует ли переходить на противоположную сторону; затем оно должно проследовать к наружному коленчатому телу выбранной стороны, подойти к нужному слою (или к области), а затем в точности к нужной части этого слоя, так что полученная в результате топография станет надлежащим образом упорядоченной; и наконец, оно должно разветвиться, причем веточки должны подойти к надлежащим частям клетки коленчатого тела - к ее телу или к дендритам. Сходные требования предъявляются к волокну, растущему от наружного коленчатого тела к зоне 17 или от зоны 17 к зоне 18. Трудно даже предположить, какие именно факторы оказываются решающими среди нескольких основных конкурирующих факторов, к которым относятся механическая наводка, химические градиенты и взаимодействие с комплементарными молекулами вроде того, которое происходит в иммунной системе. Многочисленные современные исследования как будто бы указывают на роль многих различных механизмов.

Как изменяется постнатальное развитие зрительной системы млекопитающих под влиянием различных факторов со стороны окружаю-

282

Глава IV Психофизиология зрительного восприятия

8 Два глаза

283

щей среды? В отношении первых уровней зрительной системы кошки и обезьяны — сетчатки, коленчатого тела и, наверно, стриарной (первичной зрительной) коры — возникает вопрос, сохраняется ли здесь после рождения некоторая пластичность.

В 40—50-е гг. психологи широко экспериментировали со зрительной депривацией на животных, используя для оценки результатов поведенческие методы. Типичный эксперимент состоял в том, что животное с момента рождения содержали в полной темноте. Когда животных выносили на свет, они оказывались слепыми или по меньшей мере обладали неполноценным зрением. Слепота была в некоторой степени обратимой, но зрительные функции восстанавливались лишь постепенно.

Стало известно достаточно много о взрослом животном, чтобы задавать прямые вопросы относительно того, насколько пластична зрительная система. В опыте недельному, еще слепому, котенку под наркозом сшили веки на одном глазу. Спустя десять недель хирургическим путем открыли глаз и стали регистрировать реакции корковых нейронов с целью выяснить, оказало ли отключение глаза какое-либо влияние на самочувствие или на зрительную систему.

Клинические наблюдения за детьми с врожденной катарактой1 позволили установить определенные зависимости между возрастом и возможностью восстановления зрения после операции. Катаракту у новорожденных, как и у взрослых лечат путем хирургического удаления хрусталика и имплантации искусственной линзы. После удаления катаракты, например, в восьмилетнем возрасте, результаты не оправдывали ожиданий: ребенок оставался слепым. Он по-прежнему не мог отличить круг от треугольника. С такими фактами резко контрастируют клинические случаи взрослых людей: если у пожилых даже после семидесяти лет развивается катаракта на обоих глазах и они постепенно теряют зрение, то после удаления катаракты (даже после нескольких лет слепоты) зрение полностью восстанавливается. Зрение может даже улучшиться по сравнению с тем, что было до развития катаракты, потому что хрусталик с возрастом желтеет и после его удаления человек снова видит яркую синеву неба, которую воспринимают лишь дети и молодые люди.

По-видимому, зрительная депривация (лишение зрительного опыта) у детей приводит к пагубным последствиям, никогда не наблюдаемым у взрослых. Обычно психологи вполне резонно объясня-

1 Катаракта — это состояние при котором хрусталик глаза мутнеет, он пропускает свег, по не позволяет формироваться изображению на сетчатке

ли результаты своих экспериментов, а также клинические результаты неспособностью ребенка «научиться видеть» или (что, по-видимому, то же самое) невозможностью образования связей из-за нехватки тренирующего опыта.

Амблиопия — это частичная или полная потеря зрения, не связанная с какими-либо аномалиями самого глаза. При сшивании век у котят или обезьяны с целью вызвать амблиопию, а затем выяснить, где в зрительном тракте возникает аномалия, результаты опытов были поразительными. Когда разомкнули у котенка веки, сам глаз выглядел вполне нормальным; даже зрачок при его освещении сокращался обычным образом. Однако результаты регистрации активности корковых клеток никак нельзя было счесть нормальными. Хотя исследователи обнаружили много клеток с совершенно нормальными реакциями на ориентацию линий и их движение, нашли также, что ни одна из клеток не отвечала на стимуляцию ранее закрытого глаза. Не отвечавшие корковые клетки, видимо, получали значительный и как будто бы нормальный поток входных сигналов от коленчатого тела. Это позволяло предполагать, что первичное повреждение локализуется не в сетчатке или коленчатом теле, а главным образом в коре. При гистологическом исследовании коры не обнаруживалось абсолютно никаких признаков аномалии. Позже стало ясно, что в коре все же были анатомические дефекты, но они не выявлялись с помощью применявшихся методов окраски. Следующий вопрос заключался в том, что же именно порождает аномалию при закрытии глаза. Сшивание век уменьшает количество света, достигающего сетчатки, приблизительно в 10—50 раз; оно, разумеется, препятствует и созданию на сетчатке каких-либо изображений. Может ли аномалия создаваться просто уменьшением количества света? Чтобы выяснить это, в один глаз новорожденного котенка ставили матовую контактную линзу из пластмассы, по консистенции близкой к материалу, из которого изготовляются мячики для настольного тенниса. Другим животным пришивали на один глаз тонкую просвечивающую мембрану, играющую роль дополнительного века. Пластмасса или перепонка уменьшала количество света всего в два раза, но предотвращала формирование каких-либо сфокусированных изображений. Результаты оказались такими же: развивалась аномальная корковая физиология и аномальная гистология коленчатого тела. Очевидно, повреждение объясняется невозможностью воспринимать формы, а не просто недостатком света.

У нескольких котят перед регистрацией нейронных ответов тестировали зрение, надевая непрозрачную черную контактную линзу на тот глаз, который не был закрыт. Животные, несомненно, были слепы

284

Глава IV Психофизиология зри юлыюю восприятия

8 Два 1 лаза

285

на депривированный глаз. Аналогичные тесты с незакрытым глазом показали, что зрение было совершенно нормальным.

Далее были проведены длительные исследования на кошках и обезьянах с целью выяснить, зависят ли результаты опытов от возраста «пациентов» и от продолжительности депривации. Вскоре выяснилось, что возраст имеет решающее значение. У взрослой кошки, у которой один глаз был отключен более чем на год, не наблюдалось ни слепоты на этот глаз, ни потери корковых реакций, ни патологии коленчатого тела. После многочисленных экспериментов был сделан вывод, что где-то между рождением и зрелым возрастом должен существовать период пластичности, когда депривация приводит к корковому дефекту. Как выяснилось, у кошки этот критический период длится от четвертой недели до четвертого месяца жизни. Неудивительно, что закрытие глаза до наступления четвертой недели мало влияет на формирование зрения, так как первый месяц жизни кошка почти не пользуется зрением: глаза открываются лишь к 10-му дню жизни. Чувствительность к депривации быстро возрастает и достигает максимума в первые недели критического периода. В это время отключение одного глаза даже на несколько дней приводит к заметному искажению гистограммы глазодоминантности. В последующие четыре месяца время депривации, необходимое для получения явных эффектов, неуклонно возрастает, чувствительность к депривации уменьшается.

При отключении одного глаза на шесть недель в пятидневном возрасте практически отсутствуют клетки, которые отвечали бы на стимуляцию ранее закрытого глаза. Гораздо более кратковременная депривация тоже вызывает сильно выраженный эффект, но явно меньший, чем возникающий при более длительной депривации. В возрасте четырех месяцев чувствительность снижается настолько, что даже отключение глаза на пять лет дает эффект, хотя и весьма заметный, но несравнимый с последствиями более ранней депривации.

Изучение периода чувствительности у кошек и обезьян дало весьма сходные результаты. У обезьян этот период начинается в момент рождения, а не в возрасте четырех недель, как у кошек, и длится дольше, постепенно заканчиваясь к году, а не к четвертому месяцу. Чувствительность наиболее высока в первые две недели жизни, на протяжении которых всего нескольких дней депривации оказывается достаточно, чтобы вызвать выраженный сдвиг глазодоминантности. Отключение глаза у взрослой обезьяны (независимо от продолжительности этого отключения) не вызывает никаких вредных последствий: у взрослой обезьяны закрывали глаз на пять лет, после чего не обнаружено ни слепоты, ни коркового дефекта, ни сморщивания клеток в коленчатых телах.

8.4. Сенситивные периоды и пластичность зрительной системы

Какой цели служит пластичность зрительной системы в ранний период жизни (у человека период чувствительности предположительно составляет четыре — пять лет)? У животных, у которых один глаз зашит с момента рождения, территория открытого глаза в слое 4С расширяется; вопрос заключается в том, дает ли это какое-либо преимущество открытому глазу? Ответа на этот вопрос еще нет.

Как бы то ни было, кажется весьма маловероятным, чтобы пластичность зрительной системы выработалась в ходе эволюции всего лишь на случай возможной утраты глаза детенышем или появления у него косоглазия. Наиболее плодотворная идея о роли пластичности заключается в том, что пластичность обеспечивает тонкую настройку связей, необходимую для восприятия форм, движения и глубины, и что эта настройка осуществляется в основном постнатально под контролем самого зрения. Эта идея привлекательна тем, что способность мозга обучаться может избавить его от необходимости заранее программировать все детали и может обеспечить достаточную гибкость для адаптации к разнообразным условиям среды. Однако результаты экспериментов показывают, что, по-видимому, в первичной зрительной коре и, быть может, на нескольких последующих уровнях связи полностью определяются генетическими инструкциями. Значительная часть этих связей образуется пренатально и, следовательно, без участия сенсорного опыта, и какая бы стратегия ни использовалась для их построения, она могла бы также обеспечивать и их тонкую настройку.

У новорожденного ребенка мозг примерно вчетверо меньше, чем у взрослого человека. Размеры нейронов мозга увеличиваются, а характер нервных связей и сетей усложняются по мере роста и общения с окружающим миром. Основной план развития и структурной дифференциации нервной системы определяется генами, но первостепенное значецие имеет индивидуальный опыт. На анатомическое развитие мозга влияет окружающая среда. Это демонстрируется и экспериментами с содержанием маленьких животных в сенсорно обедненной среде и результатами опытов по содержанию животных в «обогащенной» среде.

8.5. Косоглазие

Косоглазие — это непараллельность оптических осей глаз. Косоглазие может быть сходящимся и расходящимся. Причина косоглазия

286

Глава IV Психофизиология зрительного восприятия

8 Два глаза

287

неизвестна. Иногда косоглазие возникает после рождения, в первые месяцы жизни, когда глаза только начинают фиксировать и прослеживать предметы. Подобное нарушение может быть результатом аномалий глазных мышц или механизмов мозгового ствола, обслуживающих движение глаз.

У некоторых детей косоглазие, по-видимому, связано с дальнозоркостью. Для правильной фокусировки удаленного объекта хрусталик дальнозоркого глаза должен принять столь же выпуклую форму, как хрусталик нормального глаза, когда он фокусирует близкий объект. Округление хрусталика происходит при рассматривании близких предметов и означает сокращение цилиарной мышцы внутри глаза; этот процесс называют аккомодацией. Когда человек с нормальным зрением осуществляет аккомодацию на близкое расстояние, оба глаза автоматически поворачиваются к срединной плоскости (конвергенция). Когда дальнозоркий человек осуществляет аккомодацию, которая необходима ему для фокусировки даже удаленного объекта, один или оба глаза могут повернуться внутрь, хотя конвергенция в этом случае нежелательна. Если дальнозоркий ребенок не носит очки, поворот глаза может стать со временем постоянной привычкой.

Косоглазие можно излечить хирургическим путем, изменив места прикрепления наружных мышц глаза. Операция обычно с успехом исправляет положение глазных осей. Косоглазие, возникающее у взрослых, сопровождается, конечно, двоением изображения. Двоение в глазах может быть весьма неприятным и даже выводить человека из состояния равновесия, и если никакое лучшее решение невозможно, один глаз следует закрыть повязкой. В противном случае двоение в глазах останется до тех пор, пока не будет исправлено косоглазие. У детей, страдающих косоглазием, двоение в глазах редко продолжается длительное время; оно сменяется либо поочередным использованием двух глаз, либо подавлением зрения в одном глазу.

При чередовании глаз предметы фиксируют сначата одним глазом, в то время как нефиксирующий глаз поворачивается внутрь или наружу, а затем другим глазом, а первый при этом отводится в сторону. Глаза подключаются к работе поочередно (иногда через каждую секунду), и пока один глаз смотрит, другой как бы ничего не видит. Зрение в отклоненном глазу подавлено Для подавленного глаза зрительное восприятие исчезает. Ребенок, у которого наблюдается чередующееся косоглазие, всегда подавляет тот или другой глаз, но если проверить зрение в каждом глазу по отдельности, то обычно оказывается, что оба глаза вполне нормальны. Некоторые дети с косоглазием

не чередуют глаза, а включают в работу постоянно один глаз при подавлении другого. Постоянно подавляемый глаз быстро теряет, зрение, особенно в области центральной ямки и около нее, и, если это состояние длится достаточно долго, глаз практически перестает видеть.

Амблиопию у котят или обезьяны можно получить при помощи хирургической перерезки после рождения одной из мышц глаза. При этом возникает возможность, выполнив физиологические исследования, выяснить, каковы механизмы этого явления, как оно отражается на развитии зрительной системы и какая часть зрительного пути нарушена.

Во время опытов обнаружили, что после оперативного вмешательства котята смотрели сначала одним глазом, а потом другим. Тестирование показало, что каждый глаз в отдельности был нормальным. Однако регистрация клеточной активности дала удивительные результаты: каждая клетка реагировала совершенно нормально на стимуляцию одного глаза. По мере продвижения электрода в кору регистрировались клетки, активируемые предъявлением изображения правому глазу, а затем — левому глазу. Потом этот ряд обрывался. Иногда в зоне перехода появлялись клетки, активируемые и правым, и левым глазом, но поля бинокулярных клеток составляли около 20% вместо 85% по норме. У нормальной кошки при горизонтальном продвижении электрода в верхних слоях коры обычно встречается от 10 до 15 клеток подряд с доминированием одного и того же глаза; все они явно принадлежат к одной и той же колонке глазодоминантности и две или три из них могут быть монокулярными. У косоглазых котят точно так же наблюдали по 10— 15 клеток с доминированием одного глаза, но теперь все, кроме двух или трех, были монокулярными. Видимо, каждая клетка полностью или почти полностью перешла в ведение того глаза, который ранее оказывал на нее большее влияние. Чтобы оценить значение этого результата, следует вспомнить, что в сущности никак не изменилось общее количество зрительных стимулов, получаемых каждой сетчаткой, общий поток импульсов в двух зрительных нервах должен был остаться нормальным. Каким же образом косоглазие смогло вызвать столь радикальные изменения корковой функции? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно рассмотреть, как нормально взаимодействуют между собой оба глаза. Косоглазие изменило связь между стимулами, воздействующими на оба глаза. Когда мы рассматриваем какой-то объект, изображения любой его точки в норме попадают на те места двух сетчаток, которые находятся на одинаковом расстоянии и в одинаковом направлении относительно обеих центральных ямок, — они попадают на корреспондирующие

288

Глава IV Психофизиология зритслыгош восприятия

8 Два глаза

289

точки. Если изображение на левой сетчатке активирует какую-то бинокулярную клетку (это происходит, если рецептивное поле клетки пересекается границей темнота/свет, ориентация которой в точности соответствует данной клетке), то эта клетка будет также активироваться изображением на правой сетчатке. Это обусловлено тремя причинами:

изображения попадают на одни и те же участки обеих сетчаток;
клетка является бинокулярной (если только она не специализи
рована для восприятия глубины и имеет рецептивные поля точно в
одних и тех же участках обеих сетчаток);

3) ориентационные предпочтения бинокулярных клеток всегда
близки для обоих глаз.

Очевидно, что в случае косоглазия первая причина не подходит: если при несовпадающих изображениях один глаз в данный момент побуждает клетку разряжаться, то будет ли делать то же самое другой глаз, зависит только от случая. Когда котенок несколько недель или месяцев находится в такой ситуации, при которой сигналы от обоих глаз не соответствуют друг другу, это приводит к тому, что более слабая из двух групп входных связей данной клетки становится еще слабее и часто практически исчезает. Следовательно, это пример патологических изменений, вызванных не отсутствием стимуляции, а всего лишь разрывом нормальных временных отношений между двумя совокупностями стимулов.

В аналогичных экспериментах на обезьянах были получены такие же результаты. Поэтому кажется, что косоглазие приводит к тем же последствиям. По клиническим данным, у человека с длительным чередующимся косоглазием даже после устранения этого дефекта обычно не восстанавливается способность к восприятию глубины.

Путем длинных микроэлектродных проходок через слой АС исследователи выясняли, сохраняются ли полоски, связанные с правым и левым глазом, после закрытия одного глаза и остаются ли нормальными их различия. Показано, что слой АС по-прежнему подразделяется на участки левого и правого глаза, как у нормальных животных, и что клетки в полосках, соединенных с ранее закрытым глазом, остались практически нормальными. Однако последовательности клеток с доминированием закрытого глаза оказались очень короткими, как если бы полоски были аномально узкими, а полоски, принадлежащие открытому глазу, соответственно более широкими.

Использование методики с инъекцией метки в глаз и транснейронным переносом ее в кору показало заметное сужение полосок, связанных с ранее депривированным глазом, и соответственное расширение полосок, принадлежащих нормальному глазу.

8.6. Механизмы нарушений в зрительной системе

Результаты опытов показали, что отсутствие изображения тш сетчатке в раннем периоде жизни ведет к глубоким и стойким нарушениям корковой функции. Связаны ли обнаруженные явления с отсутствием зрительного опыта или же с нарушением зрительных связей, которые сформированы и существуют у родившегося животного? Практически все эксперименты с выращиванием животных в темноте интерпретировались в контексте проблемы обучаемости. Одним из очевидных подходов к решению поставленного вопроса могла быть прямая регистрация активности нейронов у новорожденных котят или у обезьян. Если бы для создания нужных связей требовалось обучение, то не обнаружилось бы ничего похожего на ту высокоразвитую специфичность, которая наблюдается у взрослых животных. Котенок рождается с очень незрелой зрительной системой и совсем не использует глаза примерно до десятого дня, когда они открываются. В это время даже анатомическое состояние глаза не позволяет получить четкое изображение на сетчатке. Незрелая зрительная кора действительно реагировала вяло, несколько непредсказуемо и в целом сильно отличалась от нормальной зрительной коры взрослой кошки. Тем не менее было найдено много нейронов с явной ориентационной специфичностью. Чем больше времени проходит от рождения до регистрации, тем большее число клеток по своим реакциям приближается к клеткам взрослого типа — может быть, из-за прояснения глазных сред и общего укрепления организма, а быть может, и в результате обучения.

Подтверждением этого являются результаты опытов на новорожденных обезьянах. У макаки на другой день после рождения зрительная система обнаруживает поразительную зрелость: детеныши с интересом разглядывают все, что их окружает. Клетки первичной зрительной коры у них проявляют столь же острую ориентационную настройку, как и у взрослой особи. Последовательно расположенные клетки упорядочены по ориентации. Система ориентационно-специфических рецептивных полей оказалась четко организованной.

Срезы коры, окрашенные по Нисслю, выглядят различно: у детенышей более тонкие слои и более плотная упаковка клеток. С. Ле Вей впервые показал, что даже общая площадь стриарной коры от рождения к зрелому возрасту увеличивается примерно на 30%. Если окрасить кору по методу Гольджи или исследовать ее под электронным микроскопом, отличия станут еще более очевидными: у клеток обычно менее развита система дендритов и меньше синапсов. Было бы уди-

19-1015

290

I лава IV Психофи лю'юшязрппмыюго восприми 1я

8 Дна ыала

291

вительно, если бы кора уже при рождении функционировала в точности так же, как у взрослого животного. С другой стороны, через месяц после рождения дендриты и синаптические связи все еще не достигают полного развития. Вопрос «природа или воспитание?» означает: определяется ли постнатальное развитие опытом или все еще протекает по врожденной программе? Пока нет уверенности в ответе, но, судя по сравнительной нормальности реакций корковых клеток при рождении, можно сделать вывод, что нарушение их после депривации обусловлено в основном «порчей» связей, имевшихся к моменту рождения, а не невозможностью их формирования без индивидуального опыта.

Второй важный вопрос касается причины этой порчи. На первый взгляд ответ казался почти очевидным. Предполагалось, что деградация связей обусловлена их неиспользованием. Эти предположения оказались неверными.

В ходе опыта зашивали оба глаза сначала у новорожденного котенка, а потом у новорожденного детеныша обезьяны. Если бы нарушение реактивности корковых клеток, получающих входные сигналы от одного глаза, было обусловлено их бездействием, то отключение обоих глаз удвоило бы дефект; практически невозможно было бы обнаружить клетки, реагирующие на левый или правый глаз. На самом деле не получили ничего похожего на отсутствие клеточных реакций: после открытия глаз добрая половина клеток стриарной коры снова отвечала нормально, 1/4 клеток отвечала аномально и 1/4 клеток не реагировала вовсе. Невозможно предсказать судьбу корковой клетки в ситуации, когда был закрыт один глаз, если неизвестно, был ли при этом закрыт и другой. Дело обстоит так, как если бы клетка имела вначале две группы синаптических входов — два входных пути, по одному от каждого глаза, но при неиспользовании одного пути одерживает верх другой, завладевая территорией первого. При закрытии обоих глаз сморщивание клеток коленчатого тела не столь заметно, но здесь отсутствуют нормальные слои, которые можно было бы использовать для сравнения.

8.7. Восстановление

Возможно ли восстановление нарушенной функции? Это исследовалось на обезьянах после открывания отключенного ранее глаза. Оказалось, что никакого или почти никакого физиологического восстановления не происходит, если глаз, закрытый на неделю или на больший срок, просто открыть и ничего более не делать. Даже спустя несколько лет кора оставалась приблизительно такой же аномальной,

как и в момент открытия глаза Если же, открыв один глаз, закрывали другой, ранее открытый, то восстановление наблюдалось, но дншь в том случае, если обезьяна все еще находилась в критическом периоде. После окончания критического периода даже реверсия — закрытие другого глаза на несколько лет — не давала практически ничего, кроме незначительного восстановления структуры или функции.

Способность обезьяны видеть не всегда соответствовала физиологическому состоянию зрительной коры. Без реверсии зрение в ранее закрытом глазу никогда не восстанавливалось. При реверсии зрение возвращалось и часто достигало почти нормального уровня, причем это происходило даже в случаях поздней реверсии, когда физиология первоначально закрытого глаза оставалась весьма аномальной.

8.8. Окружающая среда и зрение

Как влияют особенности условий жизни на формирование зрительной системы? Это один из аспектов экспериментов со зрительной депривацией. В одном из первых и наиболее интересных опытов ставился вопрос, будет ли содержание животного в условиях, позволяющих ему видеть полоски лишь одной ориентации, приводить к утрате клеток, чувствительных ко всем иным ориентациям. Были выполнены опыты, в которых котятам ежедневно в течение нескольких часов показывали чередующиеся черные и белые вертикальные полосы, все остальное время их содержали в темноте. Результатом было сохранение корковых клеток, реагирующих на вертикальные полосы, и резкое уменьшение числа клеток, предпочитающих другие ориентации. Неясно, перестали ли клетки с исходно промежуточными реакциями отвечать совсем или они сменили направление на вертикальное. Применение очков, позволявших котенку видеть одним глазом только вертикальные, а другим — только горизонтальные контуры в опытах Г. Хирша и Д. Спинелли (1971), привело к формированию зрительной коры, содержащей клетки с предпочтением вертикалей или с предпочтением горизонталей. Было найдено очень мало клеток, предпочитающих наклонные линии. Кроме того, на клетки, активируемые горизонтальными линиями, влиял лишь тот глаз, который подвергался раньше воздействию горизонтальных линий, а на клетки, возбуждаемые вертикальными линиями, — лишь глаз, подвергавшийся воздействию вертикальных линий.

Другие интересные процедуры включали выращивание животных в темном помещении, в котором один или несколько раз в секунду вспыхивал яркий свет: он позволял животному увидеть, где оно нахо-

19*

292

I лава IV Психофизиология зритечыюго поснрнялия

8 Два 1 лаза

293

дится, но сводил к минимуму восприятие любого движения. Результатом этих экспериментов было уменьшение числа клеток, чувствительных к движению. В другой серии опытов животным показывали только движение полосок слева направо и получили в коре асимметричное распределение клеток, чувствительных к направлению движения. Длительное пребывание детеныша обезьяны в комнате, освещаемой лишь длинноволновым красным светом, не привело к какой-либо аномалии в функции цветокодирующих нейронов наружных коленчатых тел.

Наконец, появилось множество вопросов, которые всегда возникают у исследователей, изучающих пластичность нейронных систем. Например, содержат ли модифицируемые синапсы такие специальные нейромедиаторы или нейромодуляторы, как норадрена-лин, а также ацетилхолин или серотонин. Результаты этих исследований представляют большой интерес, так как в современной нейрофизиологии и нейрохимии накоплен большой экспериментальный материал о тонких механизмах пластических преобразований исходных нейронных реакций, опосредованных этими нейро-медиаторами.

8.9. Искажения и перспектива

Результаты исключительно интересных опытов исследователей, изучавших влияние сенсорной среды на формирование зрительного восприятия, находят подтверждение в реальной жизни людей и животных. Специальные эксперименты, которые выполняются психологами и этнографами, помогают в достаточно полной мере представить, как особенности жизненного уклада и среды обитания влияют на особенности восприятия зрительных образов внешнего мира.

Наши комнаты почти всегда прямоугольные, и у многих предметов углы прямые. Кроме того, многие объекты, например, шоссейные и железные дороги, представляют собой длинные параллельные линии, сходящиеся в перспективе. Люди живут в зрительной среде, богатой признаками перспективы, указывающими на расстояние. Мы можем задать вопрос, будут ли возникать иллюзии, которые, по предположению, связаны с перспективой, у людей, живущих в другом окружении, где мало прямых углов и длинных параллельных линий? К счастью, были проведены некоторые исследования восприятия людей, живущих в подобной среде, и сделаны измерения их восприимчивости по отношению к такого рода рисункам.

Представителями людей, живущих в «неперспективном» мире, являются зулусы. Их мир можно охарактеризовать как «культуру кру-

га»: их жилища круглые, двери тоже круглые, они пашут свою землю не прямыми, а закругленными бороздами, и лишь немногие предметы их обихода обладают углами или прямыми линиями. Таким образом, зулусы для нас — идеальные испытуемые. Было обнаружено, что они испытывают «иллюзию стрелы» (иллюзию Лайера — Мюллера) лишь в небольшой степени, в то время как другие иллюзии у них почти совсем не возникают.

Было проведено наблюдение за людьми, живущими в дремучем лесу. Восприятие этих людей представляет интерес, так как они не видят предметов на большом расстоянии: в лесу практически отсутствуют свободные пространства. Когда этих людей вывезли из леса и показали объекты, расположенные на большом расстоянии, они воспринимали их не как удаленные, а как маленькие. У людей, живущих в условиях западной культуры, подобные искажения восприятия возникают, когда они смотрят с высоты вниз. По-видимому, непосредственный опыт — важный фактор в установлении зрительной оценки объектов.

Ученые попытались подробнее изучить явление «иллюзии стрелы» у некоторых животных, в том числе у голубей и рыб. Методика опыта заключалась в том, что у животных вырабатывалась реакция выбора более длинной из двух предъявленных линий и, после того как эта реакция закреплялась, им предъявлялся рисунок со стрелами, древки которых были одинаковой длины. И голуби, и рыбы выбирали именно ту стрелу, которая всегда субъективно длиннее при их объективном равенстве. Таким образом, очевидно, что и животные также испытывают иллюзии.

Для того, чтобы установить, что животные реагируют на длину древка стрелы, а не на длину всей фигуры, приходилось вырабатывать дифференцировки на линии, имеющие различную форму наконечников на обоих концах. Это нужно было для проверки того, что реакцию животных вызывает длина самих линий, а не общая длина фигуры.

Свидетельства представителей тех культур, в которых мало символов перспективы (хотя им все же свойственны некоторые признаки перспективы, например те, которые возникают при движении, т.е. признаки «динамической перспективы»), показывают, что они испытывают лишь слабые иллюзии или же полностью лишены их, если признаки перспективы в рисунке едва намечены. Наблюдение над человеком, ослепшим в детстве, также обнаруживает, что иллюзии частично зависят от предварительного зрительного опыта. Факты, полученные в экспериментах над животными, свидетельствуют, что иллюзии свойственны не только перцептивной системе

294

Глава IV Психофизиология зрительного восприятия

9. Стереоскопическое зрение

295

человека, но возникают также и при менее развитых глазах и мозге. Было бы интересно поместить животных в среду, лишенную признаков перспективы, а затем исследовать их иллюзии. Вполне вероятно, что иллюзий у них не будет. Фактически попытка провести такой эксперимент на рыбах была сделана в лаборатории автора. Но, к сожалению, эти рыбы погибли, хотя, вероятно, не из-за нарушения восприятия.

В связи с тем, что мы сказали о людях других культур, следует добавить, что эти люди или совсем не рисовали или рисовали мало, и не фотографировали знакомых предметов. Вероятно, признаки перспективы используются только после накопленного опыта, после того как зрительные ощущения связываются с тактильными, и только тогда соответствующие признаки перспективы вызывают искажения величины при восприятии плоских изображений. Имеются некоторые доказательства того, что модели рисунков, о которых шла речь выше, вызывают нарушения восприятия величины и при оценке их на ощупь. Так, по-видимому, происходит и у слепых людей, ощупывающих подобные модели. Если будет доказано, что искажения в осязании возникают не только вследствие ограниченных сенсорных возможностей этой системы, тогда иллюзорные искажения будут отнесены к числу более общих и фундаментальных фактов, чем это предполагается сейчас.

9. Стереоскопическое зрение

Механизм оценки удаленности, основанный на сравнении двух сетчаточных изображений, исключительно надежен, поэтому многие из нас даже не подозревают о его существовании. Изображения на сетчатках двумерны, а между тем мы видим мир трехмерным, объемным. И для человека, и для животных важна способность определять расстояние до объектов. Точно так же восприятие трехмерной формы предметов означает оценку относительной глубины. Человек обладает многими механизмами оценки глубины. Важным признаком удаленности служит параллакс движения — кажущееся смещение близких и более далеких предметов, если наблюдатель будет двигать головой влево и вправо или вверх и вниз. Если мы фокусируем взор на удаленном предмете, то расположенный дальше будет не в фокусе. Меняя форму хрусталика (изменяя аккомодацию), мы получаем возможность оценивать удаленность предметов. Управляя положением глаз или хрусталиком, можно оценить удаленность предмета. За исключением конвергенции и дивергенции, все остальные показатели, перечисленные до сих пор, являются монокулярными. Наиболее важный

механизм восприятия глубины — стереопсис — зависит от совместного использования двух глаз. При рассматривании любой трехмерной сцены два глаза формируют несколько отличающиеся изображения на сетчатке. В этом легко убедиться, если смотреть прямо вперед и быстро наклонять голову из стороны в сторону примерно на 10 см или же поочередно и быстро закрывать глаза. Если перед вами плоский объект, вы не заметите разницы. Однако, если сцена включает предметы, расположенные на разном расстоянии, можно заметить существенные изменения в картине. В процессе стереопсиса мозг сравнивает изображения одной и той же сцены на двух сетчатках и с большой точностью оценивает относительную глубину (рис. 20).

Предположим, наблюдатель фиксирует взором некоторую точку Р. Это утверждение эквивалентно тому, как если мы скажем: глаза направляются таким образом, чтобы изображения точки оказались в центральных ямках обоих глаз. Предположим теперь, что Q — это другая точка пространства, которая кажется наблюдателю расположенной на такой же глубине, что и Р. Пусть QlhQr изображения точки Q на сетчатках левого и правого глаза. В этом случае точки Q/. и Qr — корреспондирующие точки двух сетчаток. Очевидно, что две точки, совпадающие с центральными ямками сетчаток, будут корреспондирующими. Геометрически точка Q , оцениваемая наблюдателем как расположенная ближе, чем (2, будет давать на сетчатках две проекции — Q r и Q \. — в некорреспои-дирующих точках, расположенных дальше друг от друга, чем в том случае, если бы эти точки были корреспондирующими (эта ситуация изображена па правой части рисунка). Точно так же. если рассматривать точку, расположенную дальше от наблюдателя, то окажется, что ее проекции па сетчатках будут расположены ближе друг к другу, чем корреспондирующие точки. То, что сказано выше о корреспондирующих точках, — это частично определения, а частично утверждения, вытекающие из геометрических соображений. При рассмотрении этого вопроса учитывается также психофизиология восприятия, поскольку наблюдатель субъективно оценивает, дальше или ближе точки Р расположен объект. Все точки, которые, подобно точке Q (и, конечно, точке Р), воспринимаются как равноудаленные, лежат на гороптере — поверхности, проходящей через точки Р и Q, форма которой отличается как от плоскости, так и от сферы и зависит от нашей способности оценивать удаленность. Расстояния от центральной ямки F до проекций точки Q (Ql и Qr) близки, но не равны. Если бы они всегда были равны, то линия пересечения гороптера с горизонтальной плоскостью представляла бы собой круг. Предположим теперь, что мы фиксируем взглядом некоторую точку в пространстве и что в этом пространстве расположены два точечных источника света, которые дают проекцию на каждой сетчатке в виде световой точки, причем эти точки — пскорреспоп-дирующие: расстояние между ними больше, чем между корреспондирующими точками. Любое такое отклонение положения корреспондирующих точек называется диспарат-постыо. Если это отклонение в горизонтальном направлении не превышает 2° (0,6 мм па сетчатке), а по вертикали не больше нескольких угловых минут, то мы будем зрительно воспринимать одиночную точку в пространстве, расположенную ближе, чем та, которую мы фиксируем. Ксли же расстояния между проекциями точки будут не больше, а меньше, чем между корреспондирующими точками, то данная точка будет казаться расположенной дальше, чем точка фиксации. Наконец, в том случае, если вертикальное отклонение будет превышать несколько угловых минут или же горизонтальное будет больше 2°, го мы увидим две отдельные точки, которые, возможно, покажутся расположенными дальше или ближе точки фиксации. .г)то основные принципы стереовоспри-ятия, которые были сформулированы еще в 1838 г.

296

Глава IV Психофизиология зрительного восприятия

9. Стереоскопическое зрение

297

Рис. 20. Изображение точек Р и О на сетчатке правого и левого глаза.

Кажется почти невероятным, что до этого открытия никто, по-видимому, не отдавал себе отчета в том, что едва заметное различие в изображениях, проецируемых на сетчатки двух глаз, может способствовать отчетливому впечатлению глубины. Такой стереоэффект может сформировать за несколько минут любой человек, способный произвольно сводить и разводить оси своих глаз, или же тот, у кого есть карандаш и несколько небольших зеркал или призм (например, именно такие простые приемы отрабатываются при рассматривании многоплановых картинок из альбома Magic Eyes).

Важным физиологическим фактом является то, что ощущение глубины (т.е. возможность видеть, дальше или ближе точки фиксации расположен рассматриваемый объект) возникает в тех случаях, когда два сетчаточных изображения несколько смещены относительно друг друга в горизонтальном направлении — раздвинуты или, наоборот, сближены (если по горизонтали это смещение не превышает примерно 2°, а вертикальное смещение близко к нулю. На этом основано действие стереоскопа, изобретенного Ч. Уитсто-ном в XIX в.

9.1. Диспаратность и восприятие глубины

Для нашей ориентировки во внешнем зрительном мире при определении пространственного отношения вещей важно то, что мы пользуемся двумя глазами. Именно поэтому можно правильно оценивать расстояние, удаленность предметов. При этом исключительно важную роль играют конвергенция и дивергенция — движения

глаз, которые приводят к сведению или разведению зрительных осей. Движение конвергенции требуется при переводе взора с дальнего объекта на ближний. При рассматривании отдаленных объектов, наоборот, происходит разведение зрительных осей — дивергенция. При конвергенции оси глаз сходятся внутрь при взгляде на близко расположенные объекты и сигналы расстояния в виде этого угла конвергенции передаются в мозг. Глаза разделены расстоянием примерно в 6,25 см и получают различные зрительные изображения. В этом легко можно убедиться, если закрыть сначала один, а потом другой глаз. Любой близко расположенный объект будет казаться смещенным в сторону по отношению к более отдаленным объектам и будет вращаться, если попеременно смотреть то левым, то правым глазом. Это небольшое различие между изображениями известно под названием диспаратности. Благодаря ему возникает восприятие глубины (или стереоскопическое зрение), что и используется в стереоскопе, являющемся важным инструментом для изучения зрения.

Стереоскоп - простой аппарат для раздельного предъявления двух картин левому и правому глазу. В нормальных условиях эти картины образуют стереопару, которую можно получить при раздельной сьемке двумя камерами, расположенными на расстоянии глаз; таким образом получаются диспаратные изображения, которые воспринимаются мозгом стереоскопически. Стереоскоп даст возможность изучить, каким образом глаза используют диспаратность для восприятия глубины.

Стереоскопические картины могут предъявляться в другой комбинации — правому глазу можно показывать картину, видимую левым глазом, и наоборот, — тогда можно получить «обратное» восприятие глубины. «Обратное» восприятие глубины будет наблюдаться при псевдоскопичсском зрении (как его называют), когда это искаженное восприятие глубины не слишком сильно нарушает обычное зрение. В этих случаях лица людей не будут восприниматься перевернутыми по глубине (мы не будем видеть нос вогнутым внутрь), однако, когда глаза переводятся па другие предметы, их положение может быть обратным по глубине

Стереоскопическое зрение — один из многих способов восприятия глубины, и оно функционирует лишь при взгляде на сравнительно близкие объекты: на далеких расстояниях явление диспаратности уменьшается и изображения, воспринимаемые левым и правым глазом, становятся идентичными. Мы эффективно воспринимаем одним глазом расстояния большие, чем шесть метров.

9.2. Монокулярное восприятие глубины

Расстояние можно воспринимать, смотря и одним глазом, монокулярно. Подобное восприятие, однако, гораздо менее совершенно, чем бинокулярная оценка расстояния.

В этом легко убедиться, выполнив совсем простой опыт I-x.ni. например, из-за ширмы показывать испытуемому надетую на спицу пробку, пододвигая се то ближс^то дальше, испытуемого же попросить при этом прикрыть один свои глаз ладонью н, оы-

298

Глава IV. Психофизиология зрительного восприятия

9. Стереоскопическое зрение

299

стро подойдя к ширме, щелчком пальца сбить пробку со спицы, то окажется, что при монокулярном смотрении испытуемый будет весьма часто ошибаться, шс.жая или слишком впереди, или же налетая своей рукой на пробку. Стоит же ему открыть другой глаз, как поставленную задачу он сможет выполнять легко и безошибочно.

В силу несовершенства монокулярной оценки глубины к работе, связанной с необходимостью точно определять расстояние, должны допускаться лишь лица, обладающие бинокулярным зрением.

Монокулярное восприятие третьего измерения осуществляется главным образом благодаря вторичным, вспомогательным признакам удаленности, как то: видимая величина предмета, линейная перспектива, воздушная перспектива, наполненность промежуточного пространства, загораживание одних предметов другими, различный характер кажущегося движения предметов при движении головы и др. Заметную роль при монокулярном восприятии глубины близких предметов может играть и аккомодация, усиливающаяся по мере приближения фиксируемого предмета и ослабляющаяся при его удалении.

Все, что до сих пор мы говорили о восприятии третьего измерения, касалось наших оценок относительной удаленности объекта, т.е. его большей или меньшей удаленности по сравнению с некоторой фиксируемой точкой. Как же мы можем зрительно оценивать удаленность абсолютным образом, удаленность от нас самой основной фиксируемой нами точки? Обычно мы учитываем в таком случае заполненность промежуточного пространства, отделяющего нас от этой точки. Чем оно более заполнено, тем более далекой кажется нам фокусируемая точка. Кроме того, на основании опыта мы знаем примерный угловой размер обычных предметов при различной их удаленности. Линейная перспектива в очертании предмета помогает нам судить о расстоянии от нас видимого объекта, а при достаточно больших расстояниях основанием для абсолютной оценки удаленности может служить и воздушная перспектива. Благодаря ей, далекие предметы кажутся в синеватой дымке и не так четко очерченными, как объекты близкие. Относительная скорость кажущегося смещения предметов, наблюдаемая при движениях нашей головы, также дает нам основания для подобной оценки. Известную роль, наконец, играют здесь и аккомодационные и конвергенцион-ные движения. Однако необходимо отметить, что они дают весьма несовершенные и ограниченные оценки. Посредством конвергенции мы правильно оцениваем абсолютную удаленность лишь в границах ближайших 2—3 м.

Со зрительной оценкой расстояния тесно связано и наше восприятие величины видимых предметов, которая является функцией двух

обстоятельств: во-первых, площади раздражения на сетчатке и, во-вторых, кажущейся удаленности видимого объекта. Если эта последняя остается постоянной, то предмет кажется нам тем больше, чем большую площадь на сетчатке занимает его изображение, т. е: чем под большим углом он видится. Если же он кажется нам находящимся на разных от нас расстояниях, то видимая величина его будет совсем разной, хотя бы площадь раздражения на сетчатке оставалась во всех случаях одной и той же.

Доказательством является следующий опыт. Пристально посмотрим па какой-нибудь белый диск и переведем затем свой взгляд на экран, находящийся от нас на том же расстоянии, как и рассматриваемый диск. Мы увидим последовательный образ диска той же величины, как и сам диск. Если же мы переведем свой взгляд на экран, вдвое более удаленный от нас, чем диск, то диаметр последовательного образа покажется нам вдвое большим; если расстояние экрана будет от пас втрое большим, мы увидим и диаметр последовательного образа втрое большим и т. д.

Мозг должен «знать», какой глаз — левый, какой — правый (т.е. роль каждого глаза), потому что иначе восприятие глубины будет неясным. В противном случае перевернутые изображения в стереоскопе или псевдоскопе не производили бы должного впечатления. Как ни странно, почти невозможно сказать, какой глаз играет ведущую роль в восприятии глубины, и хотя можно очень легко установить роль каждого глаза в восприятии глубины, эта информация каждому глазу предъявляет различную картину (или если различие между воспринимаемыми положениями объекта так велико, что слияние изображений невозможно), наблюдается своеобразный и весьма отчетливый эффект: каждый глаз по очереди перестает видеть изображение или его части, так что происходит непрерывная флуктуация. Части каждой картины последовательно сливаются и отвергаются глазом и всякий раз по-разному.

Пока еще мало известно о том, как работают механизмы мозга, превращающие различие в изображениях в восприятие глубины. Однако можно показать, какая информация используется при этом мозгом. Для этого нужно негативное изображение одной стереопары поместить на прозрачный позитив, сделанный с негатива другой пары. Там, где два изображения идентичны, свет сквозь пластинки не пройдет, но свет пройдет в любой из не совпадающих точек изображения. Возникают картины одних только различий. При этом почти вся информация об исходной картине исчезает. Создается изображение, основанное на диспаратности сетчаточных образов.

9.3. Мозолистое тело

Мозолистое тело — самая большая комиссура мозга. Комиссура — совокупность волокон, соединяющих две гомологичные нервные

300

Глава IV Психофизиология зрительного восприят ия

9 Стереоскопическое зрение

301

структуры, расположенные в правом и левом полушарии или в спинном мозге. Мозолистое тело соединяет два полушария мозга. Мозолистое тело — мощный пучок миелинизированных волокон, соединяющих два полушария мозга, это самый крупный пучок нервных волокон во всей нервной системе. В нем насчитывается около 200 млн. аксонов. Это число несравнимо с числом волокон в каждом зрительном нерве (1,5 млн.). Площадь поперечного сечения мозолистого тела составляет около 700 мм2, тогда как у зрительного нерва она не превышает нескольких квадратных миллиметров. Небольшая часть волокон мозолистого тела играет некоторую роль в стереопсисе.

О функции мозолистого тела известно сравнительно мало, потому что случаи врожденного отсутствия мозолистого тела единичны. Во время нейрохирургической операции мозолистое тело может подвергаться частичной или полной перерезке. В одних случаях это делается при лечении эпилепсии для того, чтобы судорожный разряд, возникающий в одном полушарии мозга, не мог распространиться на другое полушарие, в других случаях для того, чтобы можно было сверху достичь глубоко расположенного пораженного участка мозга.

Некоторые функции этой мощной комиссуры мозга удалось выяснить лишь в 1955 г. Кошек обучали в ящике с двумя поставленными рядом экранами. Они должны были выбирать одно изображение из двух. Предъявлялись различные изображения — например, круг на одном экране и квадрат — на другом. Правильные ответы подкреплялись пищей, а за ошибочные ответы кошки получали наказание — раздавался громкий звонок, и кошку убирали от экрана.

Кошек обучали правильно выбирать геометрическую фигуру и тогда, когда один глаз животного был закрыт маской. Неудивительно и то, что если обучение такой задаче проводилось лишь с одним открытым глазом (во время обучения использовался левый глаз, а при проверке левый глаз закрывали и открывали правый), то точность различения оставалась прежней. Простота решения подобных задач ясна, если учесть анатомию зрительной системы. Каждое полушарие получает входные сигналы от обоих глаз. Большая часть клеток в поле 17 тоже имеет входы от обоих глаз. Во второй серии опытов была выполнена продольная перерезка хиазмы по средней линии, т.е. перерезались перекрещивающиеся волокна и сохранились в целости неперекрещивающиеся. В результате такой перерезки левый глаз животного оказывался соединенным только с левым полушарием, а правый — только с правым. Идея эксперимента заключалась в том, чтобы обучать кошку, используя левый глаз, а при

тестировании стимул предъявить правому глазу. Если кошка сможет правильно решать задачу, то это будет означать, что необходимая информация передается из левого полушария в правое по единственному известному пути — через мозолистое тело. В этих'условиях кошка по-прежнему успешно решала задачу. Животные, у которых предварительно были перерезаны и хиазма, и мозолистое тело, задачу не решили. Таким образом, было установлено, что мозолистое тело выполняет функции по конвергенции информации определенного вида.

Мозолистое тело связывает только небольшие участки 17 поля правого и левого полушарий, где находятся проекции вертикальной линии в середине поля зрения. В опыте перерезали зрительный тракт на правой стороне мозга позади хиазмы и тем самым перекрывали путь входным сигналам в правую затылочную долю; но это не исключало передачу сигналов из левой затылочной доли через мозолистое тело. В опыте проводилась регистрация электрической активности с поверхности коры во время включения светового стимула. В ходе опыта удалось зарегистрировать ответы, однако они возникали только на внутренней границе поля 17, в зоне, получающей входные сигналы от длинной, узкой вертикальной полоски в середине поля зрения: при стимуляции маленькими пятнышками света ответы появлялись только тогда, когда свет вспыхивал на вертикальной средней линии или поблизости от нее. Если кору противоположного полушария охлаждали, тем самым временно подавляя ее функцию, ответы прекращались; к этому же приводило и охлаждение мозолистого

тела.

Дж. Берлуччи и Дж. Ризолатти (1968), перерезав зрительную хиазму по средней линии, регистрировали ответы в поле 17 вблизи границы с полем 18. Они отыскивали те клетки, которые могли активироваться бинокулярно. Любая бинокулярная клетка этой области в правом полушарии должна получать входные сигналы как прямо от правого глаза (через НКТ), так и от левого глаза и левого полушария через мозолистое тело. Выяснилось, что рецептивное поле каждой бинокулярной клетки захватывает среднюю вертикаль сетчатки. Та его часть, которая относится к левой половине поля зрения, доставляла информацию от правого глаза, а та, которая заходит в правую половину, — от левого глаза. Другие свойства клеток, исследованные в этом эксперименте, включая ориентационную избирательность, оказались

идентичными.

Микроэлектродные отведения непосредственно от той зоны мозолистого тела, где имеются волокна, связанные со зрительной системой, показали, что почти все волокна, которые могли активироваться

302

Глава IV Психофизиология зрительной) носирпяшя

9 Стереоскопическое зрение

303

зрительными стимулами, отвечали в точности так же, как и обычные нейроны поля 17, т. е. проявляли свойства простых и сложных клеток, избирательно чувствительных к ориентации стимула и обычно отвечавших на стимуляцию обоих глаз. Во всех этих случаях рецептивные поля располагались очень близко к средней вертикали ниже пли выше (либо на уровне) точки фиксации.

Полученные результаты показали, что мозолистое тело связывает клетки друг с другом таким образом, чтобы их рецептивные поля могли заходить и вправо и влево от средней вертикали. Таким образом, оно как бы склеивает две половины изображения окружающего мира.

Эксперимент Берлуччи и Ризолатти дал одно из наиболее ярких подтверждений специфичности нейронных связей. Клетки, соединенные через мозолистое тело, приобретают свою ориентационную избирательность как за счет локальных связей с соседними клетками, так и за счет связей, идущих через мозолистое тело из другого полушария от клеток с такой же ориентационной чувствительностью и сходным расположением рецептивных полей (сказанное относится и к другим свойствам клеток, таким как дирекциональная специфичность, способность реагировать на концы линий, а также сложность). Каждая из клеток зрительной коры, имеющих связи через мозолистое тело, должна получать входные сигналы от клеток другого полушария с точно такими же свойствами.

Рассмотренные выше аксоны клеток зрительной коры составляют лишь небольшую долю всех волокон мозолистого тела. На сома-тосенсорной коре проводились эксперименты с использованием ак-сонного транспорта, аналогичные описанным в предыдущих главах опытам с инъекцией радиоактивной аминокислоты в глаз. Их результаты показывают, что мозолистое тело таким же образом связывает те участки коры, которые активируются кожными и суставными рецепторами, расположенными вблизи средней линии тела на туловище и голове, но не связывает корковые проекции конечностей.

Каждая область коры соединяется с несколькими или даже многими другими областями коры того же полушария. Например, первичная зрительная кора связана с полем 18 (зрительной зоной 2), с медиальной височной областью, со зрительной зоной 4 и еще с одной или двумя областями. Многие участки коры имеют также связи с несколькими областями другого полушария, осуществляемые через мозолистое тело, а некоторые — через переднюю комиссуру. Поэтому можно рассматривать эти комиссуральные связи просто как особый вид кор-тико-кортикальных связей.

9.4. Физиология стереоскопического зрения

Существуют ли нейроны, реакции которых специфически определяются относительным горизонтальным смещением изображений на сетчатках двух глаз? Как отвечают клетки нижних уровней зрительной системы при одновременной стимуляции обоих глаз? Начинать нужно с нейронов поля 17 или более высокого уровня, поскольку ган-глиозные клетки сетчатки явно монокулярные, а клетки наружного коленчатого тела, в котором входы от правого и левого глаз распределены по разным слоям, тоже можно считать монокулярными — они отвечают на стимуляцию либо одного глаза, либо другого, но не на раздражение обоих одновременно. В поле 17 примерно половину нейронов составляют бинокулярные клетки, отвечающие на стимуляцию обоих глаз. При тщательном тестировании выясняется, что ответы этих клеток, по-видимому, мало зависят от относительного положения проекций стимулов на сетчатках двух глаз. Рассмотрим типичную сложную клетку, которая отвечает непрерывным разрядом на движение стимульной полосы через ее рецептивное поле в том или другом глазу. При одновременной стимуляции обоих глаз частота разрядов этой клетки выше, чем при стимуляции одного глаза, но обычно для ответа такой клетки несущественно, попадают ли в какой-то момент проекции стимула точно в одни и те же участки рецептивных полей. Наилучший ответ регистрируется тогда, когда эти проекции входят и выходят из соответствующих рецептивных полей двух глаз примерно в одно время; однако не столь важно, которая из проекций немного опережает другую.

Однако есть и нейроны, ответы которых весьма чувствительны к относительному положению двух стимулов на двух сетчатках — они чувствительны к глубине. Обнаружены клетки, которые лучше всего отвечают в том случае, если стимулы попадают точно на корреспондирующие участки двух сетчаток. Величина несовмещения стимулов по горизонтали (диспаратность), при которой клетка уже перестает реагировать, составляет некоторую часть ее рецептивного поля. Нейрон отвечает тогда и только тогда, когда объект находится примерно на таком же расстоянии от глаз, как и точка фиксации. Нейроны другого рода отвечают только тогда, когда объект расположен дальше точки фиксации. Имеются также клетки, отвечающие только тогда, когда стимул расположен ближе этой точки. При изменении степени диспа-ратности нейроны последних типов, называемые дальними клетками и ближними клетками, очень резко изменяют интенсивность своих ответов в точке нулевой диспаратности или поблизости от нее. Нейро-

304

Diana IV I кихофизиоло! ия зрительного восприя гия

9. Стереоскопическое зрение

305

ны всех трех типов (клетки, настроенные на диспаратность) были обнаружены в поле 17 обезьяны. Эти клетки весьма чувствительны к расстоянию объекта от глаз, которое кодируется в виде относительного положения соответствующих стимулов на двух сетчатках. Еще одна особенность этих клеток в том, что они не отвечают на стимуляцию только одного глаза или же отвечают, но очень слабо. Все эти клетки обладают общим свойством ориентационной избирательности; насколько известно, они сходны с обычными сложными клетками верхних слоев коры, но обладают еще дополнительным свойством — чувствительностью к глубине. Кроме того, эти клетки хорошо реагируют на движущиеся стимулы, а иногда и на концы линий.

У наркотизированных обезьян такие клетки тоже выявлялись в коре, они редко встречались в поле 17 и очень часто — в поле 18. У бодрствующих обезьян обнаружены также узконастроенные нейроны, которые лучше всего реагировали не на нулевую диспаратность, а на небольшие отклонения от нее; по-видимому, в коре могут быть специфические нейроны для всех ступеней диспаратности.

В работах К. Блекмора, X. Барлоу, П. Кемпбелла, И. Петтигрю исследовались механизмы стереоскопического зрения на кошках. Для того, чтобы определить оптимальное расположение стимулов для двух глаз, при котором возникает наилучший бинокулярный ответ, при тестировании каждого нейрона одновременно стимулировали два рецептивных монокулярных поля.

Было показано, что в первичной зрительной коре кошки существуют бинокулярно управляемые нейроны. Правильно локализованные стимулы в зрительном поле двух глаз более эффективны для управления определенными нервными клетками, чем монокулярные стимулы и гораздо более эффективны, чем бинокулярные стимулы, которые занимают правильное положение в рецептивном поле только одного глаза. Под правильной локализацией имеется в виду попадание зрительного образа в определенные участки сетчатки, соответствующие контра- и ипсилатеральному глазу. Оказалось, что самым существенным параметром для получения максимальной реакции клетки является диспаратность рецептивных полей двух глаз. У многих бинокулярно управляемых нейронов были замерены горизонтальные и вертикальные диспаратности. По вертикали диспаратности были равны 2,2°, а по горизонтали — 6,6°. При фиксированной конвергенции разные нейроны оптимально возбуждаются объектами, расположенными на разном расстоянии от животного. Это явление может быть основным механизмом, который обеспечивает различение глубины у кошек.

Во время опытов исследователи погружали микроэлектрод перпендикулярно поверхности' мозга, чтобы изучить кортикальные колонки в соответствии с их бинокулярной функцией. О колонках известно, что все клетки одной колонки имеют одинаковую предпочтительную ориентацию стимула. Результаты опытов показали, что все колонки в соответствии с их бинокулярной ориентацией входят в один из двух классов — класс нейронов глубины и класс нейронов направления движения.

В колонках постоянной глубины рецептивные поля бинокулярных нейронов занимают маленькую область на сетчатке и располагаются в почти идентичных зонах двух глаз. Следовательно, горизонтальная диспаратность практически одинакова для всех единиц, входящих в состав колонки. Вся колонка обозревает узкую полосу зрительного пространства, имеющую несколько градусов ширины, расположенную на некотором расстоянии от животного. Между отдельными соседними колонками диспаратность может быть 0,6°.

В колонках постоянного направления рецептивные поля всех бинокулярных единиц перекрываются на сетчатке, контралатеральной полушарию, содержащему колонку. Для ипсилатерального глаза они больше рассыпаны в горизонтал эном направлении. Поэтому горизонтальная диспаратность сильно меняется от клетки к клетке и вся колонка обозревает цилиндрический кусок пространства, направленный в сторону контралатерального глаза. (Горизонтальное распределение рецептивных полей на несколько градусов больше для рецептивных полей ипсилатерального глаза, а для вертикального такого сильного различия нет.) У новорожденных котят для ипсилатерального глаза диспаратность по вертикали может быть такой же большой, как и по горизонтали. Бинокулярные клетки, представляющие большую вертикальную диспаратность, в нормальных условиях почти никогда не испытывают влияния раздражений, попадающих сразу в оба глаза. Поэтому они теряют входы и становятся нефункциональными.

Ретинотопическая карта ипсилатерального глаза на коре менее точно расположена, чем для контралатерального. По-видимому, это является отражением отсутствия анатомической специфичности в ип-силатеральных входах, что и создает сильную горизонтальную диспаратность. Филогенетически более молодые входы от испилатеральной сетчатки не имеют точной локализации. Поэтому анатомический разброс ретинотопологии автоматически приводит к формированию бинокулярных нейронов, связанных с точками ипсилатерального для каждого участка контралатерального зрительного поля. Свойство бинокулярно управляемых нейронов в том, что большая их часть имеет рецептивные поля, расположенные в разных участках сетчатки и не

20-1015

306

Глава IV Психофизиология зри гелыюго восприятия

9 Стереоскопическое зрение

307

обязательно в корреспондирующих точках. Горизонтальная диспарат-ность изменяется в пределах до нескольких градусов от клетки к клетке. Наиболее эффективен тот стимул, который соответствующим образом ориентирован и расположен на таком расстоянии от сетчатки и так ориентирован, что его образ попадает на сетчатки обоих глаз. Для любой точки зрительной коры, в которой регистрируются нейроны, рецептивные поля обнаруживают тенденцию перекрывать на сетчатке ипсилатерального глаза более широкую область, чем для контралате-рального. Для трехмерного положения объекта в пространстве будет специфичной активность только одной колонки глубины и направления. В объединении и разъединении движения глаз могут участвовать два типа клеток.

Колонки глубины и колонки направления. У колонок направления рецептивные поля перекрываются на сетчатке. От клетки к клетке диспаратность изменяется. Вся колонка нейронов видит объект одной и той же ориентации, но расположенный вдоль единого окулоцент-рального зрительного направления, основу которого задает контрала-теральный глаз.

Стереоскопическое восприятие глубины включает детекцию маленьких различий в диспаратности горизонтальных сетчаточных образов, что связано с расстоянием до объекта. Рецептивная ось (зрительное направление рецептивного поля) — это линия взора через область рецептивного поля, дающая максимум разрядов нейрона при оптимальном стимуле. Эксперименты доказали, что область максимальных разрядов приблизительно соответствует геометрическому центру рецептивного поля. Также обнаружено, что для зрительных полей, со сходящимися на объекте зрительными осями, смещение может быть чрезвычайно мало. Нейрон имеет максимальный ответ при фиксации одного объекта двумя глазами.

9.5. Необъяснимые явления в стереоскопическом зрении

За время изучения стереопсиса психофизики столкнулись с целым рядом проблем. Оказалось, что обработка некоторых бинокулярных стимулов происходит в зрительной системе совершенно непонятными способами. Смещение двух идентичных изображений по направлению друг к другу приводит к ощущению большей близости, а по направлению друг от друга — к ощущению большей удаленности. Предположим теперь, что мы делаем одновременно обе эти операции. Очевидно, что рассматривание такой стереопары могло бы привести к восприятию двух предметов — одного ближе, а другого дальше плоскости фиксации. Однако можно предположить и другой вариант: мы увидим

просто два предмета, лежащие рядом в плоскости фиксации. Дело в том, что этим двум пространственным ситуациям соответствуют одинаковые изображения на сетчатках. В действительности данная пара стимулов может быть воспринята только как два предмета в плоскости фиксации. Мы до сих пор не знаем, как мозг разрешает эту неоднозначность и выбирает простейшую из всех возможных комбинаций. Из-за такого рода неоднозначностей трудно даже вообразить, как нам удается воспринимать объемной сцену, включающую множество ветвей разной величины, находящихся на разных расстояниях от нас. Правда, физиологические данные подсказывают, что задача, возможно, не столь трудна, так как разные ветви скорее всего будут иметь разную ориентацию, а мы уже знаем, что клетки, участвующие в сте-реопсисе, всегда бывают ориентационно-избирательными.

Еще один пример непредсказуемости бинокулярных эффектов, имеющий отношение к стереопсису, — это борьба полей зрения. Если на сетчатках правого и левого глаза создаются очень сильно различающиеся изображения, то часто одно из них перестает восприниматься. Если смотреть левым глазом на решетку из вертикальных линий, а правым глазом — на решетку из горизонтальных линий, то следует ожидать, что вы увидите сетку из пересекающихся линий. Однако в действительности почти невозможно увидеть оба набора линий одновременно. Виден или тот или другой, причем каждый из них — лишь в течение нескольких секунд, после чего он исчезает и появляется другой. Иногда можно увидеть как бы мозаику из двух этих изображений, в которой отдельные однородные участки будут перемещаться, сливаться или разделяться, а ориентация линий в них будет меняться. По какой-то причине нервная система не может воспринимать столь разные стимулы одновременно в одном и том же участке поля зрения, и она подавляет переработку одного из них. Слово «подавлять» используется здесь просто как иное описание того же феномена: на самом деле неизвестно, как осуществляется такое подавление и на каком уровне центральной нервной системы оно происходит. Из-за мозаичного характера воспринимаемого образа при борьбе полей зрения можно предположить, что «принятие решений» в этом процессе происходит на достаточно ранних этапах переработки зрительной информации.

Феномен борьбы полей зрения означает, что в тех случаях, когда зрительная система не может объединить изображения на двух сетчатках, она просто отвергает один из образов — либо полностью, когда, например, мы смотрим в микроскоп, даже оставляя второй глаз открытым, либо частично или на время. В ситуации с микроскопом существенную роль играет внимание, но нейронные

20*

308

I лава IV 1 кихофи ™ojioi ия зрительно! о восприятия

10 Карты коры

309

механизмы, лежащие в основе такого переключения внимания, неизвестны.

9.6. Стереослепота

Если человек слеп на один глаз, то очевидно, что он не будет обладать стереоскопическим зрением. Однако его нет и у некоторых людей, зрение которых считается нормальным. Оказывается, что таких людей не так уж мало. Так, если показать стереопары ста испытуемым, то обнаружится, что четыре или пять из них не имеют стереоэффекта. Интересно, что в повседневной жизни они не испытывают никаких неудобств. Это может показаться странным, потому что люди, имеющие нормальное стереоскопическое зрение, с трудом могут приспособиться к видению одним глазом. Очевидно, отсутствие стереопсиса достаточно хорошо компенсируется использованием других признаков глубины, таких как параллакс движения, перспектива, частичное перекрывание одних предметов другими. В основе нарушения стереопсиса лежат многие причины, например, косоглазие, когда глаза долгое время работают несогласованно. В этом случае происходит нарушение связей в коре головного мозга между нейронами, которые обеспечивают бинокулярное видение, и в результате нарушается стереозрение. Косоглазие встречается не так редко, а даже слабая степень косоглазия, которая остается незамеченной, бывает причиной нарушения стереопсиса. В некоторых же случаях стереослепота может быть наследственной.

10. Карты коры

Теперь, когда многое стало известно о топографическом представлении в коре параметров ориентации и глазодоминантности, есть возможность рассмотреть взаимосвязь между этими отображениями и проекциями зрительных полей. Отображение сетчатки на кору значительно сложнее, чем взаимно однозначное отображение, так как каждая клетка получает входные сигналы от тысяч палочек и колбочек, а ее рецептивное поле является не точкой, а достаточно сложной организацией. Можно предположить, что элемент поля зрения проецируется на область коры. В пределах этой области будут возбуждены только те полосы, которые связаны с определенным (стимулируемым) глазом, а в этих полосах — только те участки, которые соответствуют стимулу, используемой ориентации. Таким образом, линия, появившаяся в поле зрения, вызывает причудливую картину распределения возбужденных клеток коры в виде ряда узких полосок.

10.1. Взаимодействие между нейронами

Открытие колонок зрительной коры ставит исследователей перед необходимостью осмыслить функциональную роль этой организации в построении зрительных образов. Но пока неизвестна система связей, вряд ли возможно до конца понять принципы группировки клеток в коре, приходится признать, что для перехода от клеток с простыми рецептивными полями к клеткам со сложными и сверхсложными рецептивными полями нужна конвергенция множества клеток на одну клетку. У рецептивных полей промежуточных клеток должна быть одна и та же ориентация и одна и та же локализация. Результаты опытов показывают, что нейроны, обладающие некоторыми общими свойствами, группируются по этому свойству. Тогда если клетки со сходными свойствами упаковываются вместе, то почему при продвижении электрода наблюдается последовательное изменение ориентации небольшими шагами' Почему, пройдя все возможные варианты ориентации, снова обнаруживаются нейроны с исходной ориентацией, а потом весь цикл повторяется снова? Казалось бы, можно было собрать вместе все клетки с ориентацией, одинаковым глазодоминированием, одинаковой диспаратностью и т.д. Предположим, что все клетки с разной ориентацией действительно оказывают тормозное воздействие друг на друга. Как ограничивается влияние одной какой-то клетки на другие ориентации, отличные от ее собственной? Нетрудно предположить, что существуют тормозные связи, обостряющие настройку данной клетки на определенную ориентацию. В этом случае получается, что клетки с одинаковой ориентацией расположены близко друг к другу, но не слишком далеко от клеток с иной, но очень сходной ориентацией, а тормозные связи достаточно короткие. Однако пока слишком мало известно о структуре тонких межнейронных связей между нейронами.

10.2. Функциональные единицы коры

Результаты опытов показывают, что любой участок первичной зрительной коры величиной примерно 2x2 мм должен иметь все механизмы, необходимые для полной обработки определенного участка поля зрения, который очень мал в области центральной ямки и гораздо больше на периферии. Такой участок, получающий десятки тысяч входных волокон от наружного коленчатого тела, перерабатывает поступающую по ним информацию и посылает выходные сигналы по волокнам, чувствительным к ориентации стимула, его движению и т.д., интегрируя информацию от обоих глаз. Все участки производят

310

1 лава IV Психофизиология зрительного восприятия

10 Карты коры

311

сходные операции над сигналами, поступающими примерно по одному и тому же числу волокон. Информация, получаемая отдельным участком, весьма детальна, если посыпает с малой площади в области центральной ямки, и менее подробна, когда приходит с большей площади с периферии сетчатки. Выходные сигналы такого участка вырабатываются без всякого учета того, какой по величине и с какой степенью детализации участок поля зрения здесь анализируется. Набор механизмов для переработки информации в таких участках в основном один и тот же. Это позволяет объяснить ту однородность, которую видят экспериментаторы и невооруженным глазом, и при микроскопическом исследовании.

Тот факт, что сдвига вдоль коры на 2 мм как раз достаточно, чтобы попасть на проекцию нового участка сетчатки, означает, что какие бы локальные операции ни выполнялись в коре, все они должны выполняться в пределах блока размером 2x2 мм. Очевидно, меньший участок не сможет всесторонне анализировать соответственно меньшую площадку поля зрения, так как для такого анализа нужны все элементы 2-миллиметрового блока. Это становится ясно уже из полученных данных о положении и размерах рецептивных полей.

В любом участке поля зрения, даже самом малом, должны быть учтены все возможные ориентации. Если при анализе какого-то участка соответствующим корковым блоком величиной 2 мм в этом блоке не окажется элемента, реагирующего на ориентацию +45°, то наличие такого элемента в других блоках коры не поможет, так как другие блоки имеют дело с другими участками поля зрения. Однако ширина ориентационных полос в коре достаточно мала — 0,05 мм, и набор таких полос для всех ориентации от 0° до 180° с шагом в 10° дважды укладывается на участке коры шириной 2 мм. Так же обстоит дело и с глазодоминантностью — ширина соответствующих колонок 0,5 мм, поэтому 2-миллиметрового блока более чем достаточно для полного анализа. Таким образом, блоки поперечником в 2 мм обладают, по-видимому, полным набором необходимых механизмов.

Следует добавить, что блоки величиной 2 мм — это особенность не столько всего поля 17 коры, сколько слоя 3 поля 17. Если обратиться к слоям 5 и 6, там размеры рецептивных полей клеток и их разброс вдвое больше; поэтому для всестороннего анализа в слоях 5 и 6 и образования рецептивных полей большей величины и с более сложными свойствами, по-видимому, потребуются блоки с поперечником в 4 мм. С другой стороны, в слое АС рецептивные поля и их разброс гораздо меньше и соответственно размеры блоков ближе к 0,1—0,2 мм. Однако

общая идея отдельных функциональных блоков остается прежней независимо от того факта, что любая заданная область поля зрения обслуживается набором локальных механизмов, размещенных в нескольких слоях коры, т. е. что кора — это совокупность нескольких систем, объединенных в одно целое.

Все эти соображения помогают понять, почему колонки не могут быть гораздо более крупными. В блок размером 2x2 мм нужно поместить все механизмы, выделяющие нужные переменные в стимулах. До сих пор мы говорили об ориентации и глазодоминантности, однако на самом деле на двумерную поверхность отображаются не две, а большее число входных переменных. Для этого в качестве основных параметров выбраны две переменные, определяющие координаты в поле зрения расстояния от центральной ямки по горизонтали и по вертикали. На полученной координатной сетке в виде более тонкой мозаики дополнительно отображены и другие переменные, такие как ориентация стимула и глазодоминантность.

Участок коры с поперечником 2 мм называется модулем. Модуль начинается с клеток, выделяющих вертикальную ориентацию, и заканчивается следующей группой клеток, которые тоже выделяют вертикальную ориентацию; за начало можно принять и любую другую ориентацию, лишь бы в каждом модуле все ориентации были представлены хотя бы по одному разу. Так же обстоит дело и с глазодоминантностью — модуль может начинаться с того места, где доминирует правый глаз, с того, где доминирует левый, или с середины колонки, лишь бы в конечном счете в модуль вошли два участка глазодоминантности, по одному для каждого глаза. Величина модуля будет зависеть от того, какой из слоев коры рассматривается. Тем не менее термин «модуль» должен ассоциироваться с системой примерно из 500-1000 миниатюрных устройств, которые взаимозаменяемы (при условии, что можно было бы воспроизвести около 10 000 входных и, вероятно, около 50 000 выходных связей).

Необходимо добавить, что введение представлений о модулях зрительной коры не означает, что кора совершенно однородна. Помимо остроты зрения по мере удаления от центра сетчатки, изменяются параметры зрительного восприятия: например, ухудшается цветовое зрение. Движение, равно как и очень слабые источники света, по всей вероятности легче замечается на периферии поля зрения. Бинокулярное зрение должно ухудшаться, так как в зонах радиусом от 20° до 80° колонки глазодоминантности для ипсилатерального глаза становятся все уже и уже, а для контралатерального глаза — все шире и шире. На расстояниях больше 80° от центральной ямки ипсилатеральные колонки полностью исчезают и корковые механизмы становятся «моно-

312

Глава IV Психофизиология зрительного .восприятия

кулярными». Ввиду этих, а также и других различий, которые, несомненно, имеются, соответствующие корковые структуры должны быть в чем-то неоднородными. Поэтому корковые модули, вероятно, не все совершенно одинаковы.

Глава V. Психофизиология алкоголизма и наркомании

Психофизиология алкоголизма
Психофизиология наркомании
Психофизиологические исследования в экологии

С древних времен известно, что различные вещества растительного и животного происхождения вызывают патологические состояния. В историческом развитии почти каждая культура экспериментировала с растениями, что и привело к накоплению знаний о многих психоактивных ядах, известных сегодня. Важными моментами в древней психофармакологии явилось открытие и использование алкоголя, конопли и опиума в Европе, кофеина, никотина, кокаина в Азии, а также растений — галлюциногенов, таких как мескаль (неколючий, полукруглый кактус, растущий в Мексике и на юго-западе США) и некоторых разновидностей грибов. Из мескаля добывали мескалин — галлюциногенный алкалоидный яд, а из грибов в доколумбовой Америке получали псилоцибин. С развитием психофармакологии в XIX в. связано извлечение сильного болеутоляющего морфина из опиума, введение в дользование закиси азота, эфира и хлороформа и раннее использование кокаина как стимулятора. В 30-е годы XX в. в качестве психостимулянта начинает использоваться амфетамин. В 1943 г. были открыты галлюциногенные свойства ЛСД.

Каждый сознательный человек слышал о возможных последствиях неконтролируемого употребления этих средств: об адской зависимости от героина, о риске передозировки, об опасностях состояния алкогольного опьянения, об умственной деградации человека, употребляющего алкоголь и наркотики, о повышении вероятности заболевания раком при курении. И тем не менее люди продолжают употреблять психотропные средства. Причины употребления этих веществ самые разные: одни применяют их как болеутоляющие средства, другие — в качестве снотворного, третьи — как стимулирующие средства, чтобы взбодрить себя, но многие — для того, чтобы хотя бы на время изменить себя, создать состояние внутреннего благополучия, которое помогает им пережить трудности жизни. Табак, кофе, алко-

314

Глава V Психофизиотогия алкоголизма и наркомании

Психофизиология алкоголизма

315

голь — это самые распространенные психотропные вещества, чаще всего употребляемые людьми. Однако широко используются также марихуана, гашиш, ЛСД, мескалин, амфетамины, кокаин и даже героин.

Любое вещество такого рода воздействует на головной мозг, либо ускоряя передачу сенсорных сигналов, либо ее блокируя или видоизменяя, либо мешая некоторым нервным центрам нормально выполнять свою функцию. Теперь известно, что механизмы действия наркотических веществ связаны с изменениями взаимодействия в работе разных медиаторных систем мозга. Основа действия наркотических веществ, как правило, в конкуренции за места на рецепторах, чувствительных к определенным видам медиаторов — веществ, ответственных за синаптическую передачу сигналов от одного нейрона к другому. Отсюда и изменения в приеме, передаче и обработке информации. Некоторые психотропные агенты фактически способны заменять эти нейромедиаторы, вызывая более значительные или просто качественно иные эффекты; другие блокируют выделение медиаторов; третьи, наоборот, ускоряют или настолько изменяют передачу сигналов, что мозг вскоре утрачивает способность их анализировать. Современные нейрофизиологические и психофизиологические исследования дают возможность достаточно ярко представить те драматические события, которые разворачиваются в нашем мозге после приема различных наркотических веществ.

1. Психофизиология алкоголизма

В ряду веществ-убийц самым распространенным является алкоголь. Алкоголизм — хроническая и обычно прогрессирующая болезнь, включающая чрезмерное влечение к употреблению этилового спирта (этанола) в любой форме — как в виде общеизвестных алкогольных напитков, так и в виде компонента, входящего в состав других веществ. Причина алкоголизма кроется в комбинации целого ряда психологических, физиологических, социальных и генетических факторов. Для него характерна эмоциональная и часто физическая зависимость, он часто приводит к повреждению мозга и ранней смерти. Первоначальное его действие действительно носит позитивный характер: человек освобождается от некоторых внутренних тормозов, становится шумным и возбужденным, способным иногда сделать такое, на что он, вероятно, никогда бы не отважился в иных обстоятельствах. Однако увеличение дозы алкоголя приводит к снижению активности организма. Способность логически мыслить и принимать верные решения при сильном опьянении снижается до такой степени, что человек вскоре становится неспособным контролировать свое состояние.

Многие не понимают, что алкоголь — это нейродепрессант, т.е. вещество, подавляющее нервную систему. Угнетая деятельность дыхательных центров ствола мозга, нейродепрессанты уменьшают ^поступление кислорода в мозг, влияя таким образом на его деятельность. Это ведет к плохой координации движений, сбивчивой речи, нечеткости мышления, а также к прогрессирующему торможению механизмов ретикулярной формации, обеспечивающих бодрствование и внимание.

Злоупотребление алкоголем в течение длительного времени приводит к сильным изменениям в организме: он оказывает прямой седа-тивный и токсический эффект, снимает необходимость заботы о питании и других первостепенных потребностях. В результате для восстановления нормальной работы организма требуется госпитализация. Результатом алкоголизма являются такие болезни, как язва, цирроз печени и др. Алкоголь повышает свертываемость крови, в результате нарушается снабжение клеток мозга кислородом.

Центральная и периферическая нервная система постоянно травмируются. Возникают галлюцинации, затемнение сознания, тремор. Последние симптомы включаются в наиболее серьезный алкогольный синдром — белую горячку, которая может привести к фатальному исходу, несмотря на лечение. Это противоположно отключению, возникающему под действием наркотических веществ (таких как героин), которое, хотя и приводит к бедственному положению, все же редко заканчивается смертью. Недавние исследования показали, что постоянное употребление алкоголя во время беременности является причиной ущербности новорожденных детей.

Алкоголизму чаще подвержены мужчины, но употребление алкоголя среди юношей и женщин возрастает с каждым годом. Потребление алкоголя постоянно увеличивается в США, бывших республиках СССР, западноевропейских странах.

Алкоголь влияет на состояние человека и животного. Из исследований, выполненных на уровне поведения, известно, что при употреблении алкоголя происходит ухудшение памяти, способности к распознаванию образов различных модальностей. Однако отсутствуют данные о том, что именно лежит в основе подобных нарушений. Каковы конкретные физиологические механизмы, которые обеспечивают это явление? Влияние острого введения этанола на разные формы поведения животных и человека исследуется во многих работах психологического, нейрофизиологического, клинического, генетического направления. Результаты этих исследований показывают, что этанол обладает определенной избирательностью в отношении не только нервных клеток, осуществляющих реализацию конкретных видов по-

316

Глава V Психофизиология алкоголизма и наркомании

Психофизиология алкоголизма

317

ведения, но и в отношении процессов, развивающихся непосредственно в нейроне и на его мембране. В частности, показано избирательное действие этанола по отношению к каналам Са-проводимости. Использование этанола для получения феномена обучения, зависящего от состояния (state-dependent learning), также оказывается эффективным методом для анализа процессов, развивающихся на нейроне во время обучения и воспроизведения следа памяти.

Многочисленные опыты, которые выполняются на уровне отдельных нервных клеток с целью выяснения конкретных механизмов, как правило, становятся полем действия для биофизиков и биохимиков. Нас же интересуют изменения, которые происходят на макроуровне клетки: существует ли избирательное действие этанола на клетки определенных структур мозга, как изменяется работа клетки при действии различных концентраций этанола, как модифицируется ее пластичность в разных звеньях ее активности — на уровне процессов, связанных с электрогенезом потенциалов действия, с хемочувствитель-ной мембраной, с возможностью ассоциировать различные стимулы, адресованные к разноименным и одноименным мембранам? Именно на эти вопросы мы получаем ответы в опытах на нейронах, находящихся в системе, и на изолированных нейронах виноградной улитки, которые в данном случае применяются в качестве биологической модели для исследования механизмов памяти.

Действие этанола на активность нейронов зависит от целого ряда факторов: от дозы, концентрации в крови и ликворе, способа введения, вида наркоза. В экспериментах на кроликах показано, что наиболее чувствительны к действию этанола палео- и неокортикальные образования, в том числе структуры лимбической системы. Реорганизация активности лимбических структур является существенным звеном в механизмах формирования потребности в алкоголе. В одном из опытов исследовали активность нейронов коркового отдела лимбической системы, которая выделяется с морфологической точки зрения богатством связей с другими областями коры и особой стратегической позицией структуры, связывающей неокортикальные области и гип-покамп. В лимбической коре обнаруживается максимальное по сравнению с другими областями коры количество терминалей, содержащих дофамин, нарушение обмена которого играет, по-видимому, ключевую роль в патогенезе алкоголизма.

1.1. Нейронные механизмы действия этанола

Информация о клеточных механизмах действия этанола получена в основном в экспериментах на периферических отделах нервной сис-

темы позвоночных или же на препаратах ЦНС беспозвоночных животных. Из результатов этих опытов можно сделать следующие выводы: 1) этанол вызывает специфическое снижение возбудимости нейронов, связанное с изменением потенциал-зависимых ионных'прово-димостей, лежащих в основе генерации потенциалов действия (ПД); 2) этанол оказывает непрямые действия на возбудимость, влияя на пассивную проницаемость мембраны; 3) этанол приводит к изменению синаптической передачи, влияя на высвобождение медиатора и на мембрано-связанные хеморецепторы. Тем не менее, непонятно, является ли действие этанола специфичным для каждого нейрона или же зависит от места, которое занимает в системе данный исследуемый нейрон. Кроме того, неизвестно, какие концентрации этанола непосредственно воздействуют на ЦНС и какого вида изменения электрической возбудимости и хемочувствительности возникают при действии этанола на нейроны. Частично ответы на эти вопросы получены в опытах с использованием внутриклеточной регистрации электрических процессов. В качестве стимулов в опытах использовали микроаппликации ацетилхолина (АХ) и внутриклеточные деполяризацион-ные импульсы электрического тока, вызывающие генерацию ПД и активацию пейсмекерных потенциалов.

Время пребывания нейронов в этанолсодержащих растворах не превышало 15—60 мин. На фоне стабильного уровня МП обнаружилось уменьшение амплитуды исходного ответа на АХ вплоть до полного его исчезновения. Крайне редко проявляется повышение чувствительности. Хотя такое увеличение чувствительности в абсолютных единицах не слишком велико — оно составляло 5—7 мВ при исходной амплитуде ответа 12—18 мВ — тем не менее оно существенно для понимания механизмов действия этанола на рецепторы мембраны. Повышение чувствительности обнаружили только для нейронов, имевших исходный возбудительный ответ. Обнаружено также изменение знака исходного ответа. У некоторых нейронов инкубация в этанолсо-держащем растворе не вызвала никаких изменений исходного ответа на медиатор. Опыты показывают, что изменение хемочувствительности зависит от концентрации этанола в физиологическом растворе. Это означает, что при действии одной концентрации эффект может заключаться в повышении хемочувствительности, а при другой — в ее снижении вплоть до полного исчезновения. Интересно также то, что наиболее сильно выраженные изменения хемочувствительности могут развиваться не во время действия этанола, а позже, уже после замены этанолсодержащего раствора нормальным.

Устойчивым оказался уровень МП исследованных нейронов. Фактически не отмечено случаев изменения МП более, чем на 5 мВ при

318

Глава V Нсихофиэио ioi ня ачкогоиизма и наркомании

1 Психофизиология алко) олиэма

319

инкубации нейронов в физиологических растворах, содержащих эта-ноя в концентрациях до 0,1% в течение до 60 мин. Изменения МП обнаружены при инкубации клеток в 1%-ном этанолсодержащем растворе При инкубации нейронов в течение менее 60 мин погибает около 30% нейронов, из них 12% — при инкубации в 1%-ном этанолсодержащем растворе в течение 15 мин. Гибели нейронов предшествует медленная деполяризация.

Сложны и неоднозначны влияния этанола на процессы спайкоге-нерации и состояние пейсмекерного механизма нейронов. В зарегистрированных нами случаях обнаружено как полное выключение спайкогенерации и пейсмекерной активности, так и явление активации пейсмекерного механизма, приводящее к увеличению числа и амплитуды пейсмекерных колебаний и ПД. Обнаружено постепенное падение амплитуды ПД во время инкубации нейронов в этанолсодер-жащих физиологических растворах. Для анализа явлений, развивающихся при действии этанола, применили метод замещения нормального физиологического раствора безнатриевым и бескальциевым растворами, а также этанолсодержащим безнатриевым и бескальциевым растворами. Результаты показывают, что при действии этанола изменения электрогенеза и состояния пейсмекерного механизма отражаются прежде всего в изменении рисунка ответа на прямое электрическое раздражение. Контрольные опыты свидетельствуют, что, если генез ПД определяется в основном ионами Са++, то действие этанола приводит к значительным изменениям характера ответа на электрический стимул. Если же ПД оказываются натрийзависимыми, то действие этанола на структуру ответа выражено в меньшей степени.

На основании проведенных опытов можно предполагать, что кальциевые и натриевые процессы, обеспечивающие генерацию ПД и активацию пейсмекерного механизма, имеют разную чувствительность к этанолу. Наиболее высока она у кальциевой системы. Влияя на кальциевую проводимость, этанол не только изменяет структуру ответа нейрона, но и нарушает генез ПД, тем самым изменяя функциональные возможности нейрона. Опыты, проведенные на изолированных нейронах виноградной улитки, доказали, что действие этанола непосредственно на хемочувствительность и электровозбудимость эффективно даже при его концентрации 0,01% в нормальном физиологическом растворе. Влияния на электрическую активность нейронов зависят от концентрации этанола в окружающем физиологическом растворе и различны для разных концентраций. Действие этанола специфично для каждого нейрона. Разнонаправленность действия этанола обнаружена не только дня нейронов разных структур мозга, но и для нейронов внутри одной структуры.

1.2. Нейронные системы и этанол

Алкоголь — один из самых употребляемых ядов нашего времени, но тем не менее еще мало известно о нейронных механизмах, которые лежат в основе интоксикации и алкогольной зависимости. Опыты, направленные на исследование тонких синаптических и эндонейрональных механизмов действия этанола, демонстрируют глобальность изменений в работе клеток после воздействия этого вещества и разнообразие проявлений этого влияния. Как же отражается изменение активности нервных клеток на функционировании нейронных систем, опосредующих реализацию определенных форм поведения? В создании нейронной системы принимают участие элементы многих структур мозга, которые характеризуются различиями метаболических процессов и нейрофункциональ-ных специализаций. Результаты опытов, выполненных на разных уровнях, показывают, что кроме прямого действия на мембрану нейрона этанол, изменяя активность других нейронов, а также практически все этапы метаболизма, оказывает непрямое действие, которое определяется особенностями медиаторных и рецепторных систем, кровоснабжения, связей данной структуры и данного нейрона.

Для сопоставления данных о действии этанола на нейронном и поведенческом уровнях необходимо знать, какова роль соответствующих групп нейронов в обеспечении данной формы поведения. В экспериментах на кроликах, обученных инструментальному пищедобы-вательному поведению, Ю.И. Александров и его коллеги (1990, 1991) выясняли, какие изменения активности нейронов лимбической и моторной области коры соответствуют нарушению этого поведения, вызванному внутрибрюшинным введением 12%-ного раствора этанола в дозе 1 г/кг. В экспериментах на животных, в том числе на кроликах, было показано, что кора мозга относится к структурам, наиболее чувствительным к действию этанола. После введения этанола число активных нейронов и паттерн специализации нейронов моторной коры остается неизменным. Тем не менее набор вовлекающихся в обеспечение поведения нейронов моторной коры изменяется за счет вовлечения в этот процесс одних клеток и исключения других. Величина отношения частоты активации к частоте фона вовлекающихся нейронов возрастает. В моторной коре число активных нейронов после введения этанола не изменялось. Оставался неизменным и паттерн их поведенческой специализации, ни для одной из групп не было обнаружено внутригрупповых изменений соотношения числа нейронов разных подгрупп. Постоянство паттерна специализации обусловило и неизменность «суммарной картины» активности нейронов. После введе-

320

Глава V. Психофизиология алкоголизма и наркомании

1 Психофизиология алкоголизма

321

ния этанола количество О-нейронов (это нейроны, имеющие различную поведенческую специализацию, сформированную в обучении), обнаруживаемых в моторной коре, не изменилось. Это позволяет предполагать, что группа О-нейронов не гомогенна. В пользу этого предположения свидетельствует также полученный ранее факт о различной выраженности влияния этанола на О-нейроны, лежащие в разных слоях коры. Однако стабильность паттерна специализации и «суммарной картины» активности в моторной коре не означает неизменности состава нейронов. После введения этанола обнаруживается уменьшение представленности вовлекающихся нейронов в верхних слоях и увеличение в нижних. Эти изменения являются функциональными, не связанными с гибелью нейронов. Результаты опытов, выполненных на кроликах в свободном поведении, показывают избирательное угнетающее влияние этанола на фоновую активность. Это избирательное угнетение может быть следствием как прямого, так и непрямого влияния этанола. С применением метода ионофореза было показано, что химическая чувствительность спонтанной активности и отдельных фаз вызванных разрядов у определенных нейронов различается. Такое различие химической чувствительности может быть основой прямого избирательного влияния этанола на фоновую активность.

Известно, что лимбические структуры играют существенную роль в процессах формирования зависимости от алкоголя, количество активных нейронов в лимбической коре животного достоверно уменьшается по сравнению с контролем (введение физиологического раствора). Это уменьшение происходит за счет избирательного угнетения активности О-нейронов; абсолютное число Д-нейронов (нейронов, специализированных на ранних этапах индивидуального развития) не изменялось. Можно было сделать вывод, что в этой области мозга количество О-нейронов, специфически чувствительных к действию этанола, достоверно превышает количество Д-нейронов. Количество активных нейронов в проходке микроэлектрода по сравнению с контрольными опытами уменьшилось на одну треть. Паттерн специализации нейронов антеролатеральной моторной коры кроликов в норме характеризуется обратным по сравнению с лимбической корой соотношением О-нейронов и остальных групп клеток. О-нейроны составляют в моторной коре незначительное меньшинство.

Паттерн поведенческой специализации нейронов, зарегистрированных в лимбической системе, после введения этанола изменился. Количество нейронов в новых системах, сформированных при обучении животных инструментальному поведению, уменьшилось более чем на 50%, а нейронов, обеспечивающих реализацию поведения, сформированного на предыдущих этапах индивидуального развития,

увеличилось с 18% до 36%. В моторной области коры, в отличие от лимбической, после острого введения этанола паттерн поведенческой специализации и число активных нейронов не изменяются. В основе нарушения поведения при остром введении этанола лежит сложная комбинация эффектов этанола, качественно различных для разных областей коры: изменение набора нейронов, вовлекающихся в обеспечение поведения; уменьшение числа нейронов, принадлежащих ко вновь сформированным системам; угнетение межсистемных отношений.

Число нейронов, выявляемых в микроэлектродном треке, уменьшается на одну треть. Соотношение же нейронов, участвующих и не участвующих в пищедобывательном поведении, остается постоянным. Это говорит о том, что этанол при остром введении по-разному влияет на нейроны разных специализаций. Процентное содержание нейронов, специализированных относительно систем, формируемых на начальных и завершающих стадиях обучения, изменяется: первых — возрастает, вторых — падает. Нарушению пищедобывательного поведения при остром введении этанола соответствует уменьшение числа активирующихся в поведении нейронов лимбической коры и изменение паттерна активности нейронных систем.

Является ли избирательное угнетающее действие этанола на нейроны новых систем закономерностью, общей для разных видов животных? На крысах было показано, что введение этанола редуцирует имеющуюся в норме зависимость ответов нейронов первичной сома-тосенсорной коры крысы на стимуляцию их рецептивных полей от поведенческого контекста. Особая чувствительность нейронов новых систем может рассматриваться как механизм феноменов, выявляемых при исследовании влияния острого введения этанола на память у людей и животных: этанол действует на использование, приобретение и сохранение нового материала. Действие острого введения этанола на поведенческие акты определяется не только последовательностью их формирования, но и взаимодействием целого ряда факторов.

В основе нарушения воспроизведения приобретенной формы поведения может лежать феномен диссоциированных состоянии. Многократно описанное в литературе явление диссоциации может выражаться как в невозможности реализовать в одном состоянии поведение, сформированное в другом состоянии, так и в ухудшении характеристик его реализации. А.А. Азарашвили (1981) выдвинул гипотезу, объясняющую феномены диссоциированного обучения: при введении фармакологического вещества формируется «нейронная сеть», отличающаяся от той, которая реализовывала определенное поведение в норме. Факты, полученные в опытах с использованием этанола в ситуации обучения пищедобывательному поведению, подтверждают

21-1015

322

Глава V Психофизиология алкоголизма и наркомании

1 Психофизиология алкоголизма

323

эту гипотезу. Для достижения результатов при остром введении этанола формируется особая система, отличающаяся от исходной по числу и паттерну активности нейронов. Различие сравниваемых интеграции, по-видимому, возрастает от более старых к более новым системам. Реализация инструментального пищедобывательного поведения в норме и при введении этанола обеспечивается активностью разных наборов нейронов. По-видимому, подобные различия лежат в основе феномена диссоциированного обучения.

Нарушению инструментального пищедобывательного поведения у кроликов под влиянием этанола соответствует уменьшение числа активных нейронов лимбической коры и изменение паттерна их поведенческой специализации. Зависимость действия этанола от специализации нейрона проявляется в том, что процентное содержание нейронов, обеспечивающих реализацию наиболее новых систем, сформированных при обучении животных инструментальному поведению, уменьшается, а нейронов, обеспечивающих реализацию систем, сформированных на предыдущих этапах индивидуального развития, увеличивается. Таким образом, результаты исследования показывают, что основное различие во влиянии этанола на активность нейронов в моторной и лимбической областях коры состоит в следующем: после введения этанола число активных нейронов, паттерн поведенческой специализации и уровень активности изменяются в лимбической, но не в моторной коре. Это связано, по-видимому, не только с исходным различием паттернов специализаций нейронов сопоставляемых структур, но и с различием свойств нейронов этих областей, принадлежащих к одному и тому же типу поведенческой специализации. Неизменность числа активных нейронов и паттерна их специализации не означает, тем не менее, что этанол не влияет на участие нейронов моторной коры в обеспечении поведения. В моторной коре, так же как и в лимбической, набор вовлекающихся в обеспечение пищедобывательного поведения нейронов изменяется за счет рекрутации в этот процесс одних клеток и исключения других. Кроме того, значимо изменяются частотные характеристики импульсной активности вовлекаемых нейронов.

Проведенное сопоставление показывает, что различия между эффектами этанола на моторную и лимбическую области коры не просто количественные. Этанол влияет на моторную кору иным образом, чем на лимбическую. Нарушения поведения животных, наблюдаемые при введении этанола, могут иметь в основе комбинацию этих сложных эффектов: изменение набора нейронов, вовлекающихся в процессы пищедобывательного поведения, уменьшение числа активных О-ней-ронов и угнетение межсистемных отношений.

1.3. Постсинаптические механизмы пластичности и этанол

Этанол изменяет воспроизведение заученной формы поведения, и в основе этого лежит искажение межсистемных отношений между различными структурами мозга, нервные клетки которых участвуют в реализации энграммы. Чтобы выяснить, какие именно нейронные процессы изменяются под действием этанола во время обучения, были выполнены опыты, в которых регистрировалась внутриклеточная активность отдельных нейронов во время обучения на фоне действия этанола. Такие опыты проведены на изолированных нейронах моллюска при концентрации этанола в физиологическом растворе 0,1%. Результаты опытов показали, что при моделировании ситуации привыкания, когда один и тот же стимул применяется много раз до достижения критерия обучения, присутствие этанола может полностью блокировать развитие пластических эффектов. Нарушение пластичности затрагивает различные виды ее реализации. Если в норме привыкание было выражено изменением количества потенциалов действия и амплитуды пейсмекерных колебаний, то в присутствии этанола эти изменения могут полностью блокироваться или же замещаются противоположным по направлению эффектом — вместо привыкания развивается фасилитация. После восстановления хемочувст-вительности к нейромедиаторам пластические изменения постсинап-тической мембраны приобретают форму быстро развивающейся де-сенситизации — уже второе или третье применение нейромедиатора становится малоэффективным. Контрольные опыты, в которых производилось изменение ионного состава физиологических растворов, показали, что при длительном действии этанола происходит нарушение динамического взаимодействия каналов кальциевой и натриевой проводимости. Можно предположить, что именно это звено является критичным для искажения пластических перестроек нейронной активности в этанолсодержащих физиологических растворах.

Взаимоотношение активных структур при действии алкоголя и других вызывающих интоксикацию анестетиков показывает, что место действия этих ядов может быть гидрофобным по своей природе, но нет единого мнения о том, являются ли эти места липидными доменами, гидрофобными местами белков или же и теми и другими. Один из подходов, направленных на понимание природы действия алкоголя, заключается в том, чтобы идентифицировать нейрохимические процессы, которые изменяются in vitro при действии умеренных доз этанола. Эти нейрохимические события могли бы представить потенциальные места действия алкогольной интоксикации, а детальный

21*

324

Глава V Психофизиология а чкоголизыа и наркомании

1 Психофизиология алкоголизма

325

нейрохимический анализ позволил бы определить молекулярное взаимодействие этанола с определенными липидами и протеинами.

Известно, что ионные каналы мозговых мембран чувствительны к действию этанола, но это вовсе не означает, что эти каналы действительно являются местом, ответственным за алкогольную интоксикацию. Исследование роли ионных каналов в алкогольной интоксикации особенно продуктивно при использовании генетических манипуляций. Они ценны для алкогольных исследований, потому что объединяют нейрохимические и поведенческие методы анализа. Индивидуальные различия в психологических, биохимических и поведенческих ответах на фармакологические агенты известны уже в течение многих лет. Результаты экспериментов подтверждают идею о том, что эти врожденные различия в чувствительности к действию ядов связаны как с генетическими факторами, так и с влиянием окружающей среды. Фармакогенетика как раз и пытается выявить вклад генетических факторов в это явление. В фармакогенетике применяют специально сформированные группы животных, чтобы отделить генетические и средовые влияния на специфические черты (на фенотип). Это позволяет исследовать биохимические явления, ответственные за генетические различия в чувствительности к ядам.

1.4. Генетические исследования алкоголизма

Исследования генетических механизмов алкоголизма вызывают особый интерес. В научной литературе появилось сообщение о том, что обнаружен специализированный ген, который занимает определенное место на хромосоме и контролирует развитие одного из видов алкоголизма, реализуя функцию активирования допаминовых рецепторов клеток мозга.

Ученые высказали предположение о том, что этот ген может контролировать тяжесть алкоголизма и его медицинские последствия, нарушая нормальную допаминовую передачу. Это кажется более вероятным, чем контроль основной причины заболевания. Допамин — важный нейротрансмиттер, который в норме помогает в регуляции поведения, связанного с поиском удовольствия (pleasure-seeking behavior).

«Мы нашли ген, который скорее модифицирует поведение, но не является причиной алкоголизма», — таково мнение психиатра Э. Нобеля. Он считает, что при продолжении исследований появится много идентифицированных генов, связанных с алкоголизмом. А пока ген допаминового рецептора остается в одиночестве. Группа Э. Нобеля первой сообщила о находке этого гена в ДНК у 24 из 35 алкоголиков и у 7 из 35 неалкоголиков. Все образцы ДНК были взяты из мозговой

ткани больных. Исследователи использовали медицинскую регистрацию и сообщения членов семей, чтобы определить, в какой мере пациенты соответствуют различным критериям алкоголизма ИзА-за того, что большая часть алкоголиков потерпела поражение при попытках реабилитации и погибла в результате употребления алкоголя, исследователи сделали вывод, что эти люди пострадали именно из-за разных заболеваний.

Результаты другого исследования ставят под сомнение существование гена алкоголизма. Исследователи изучили ДНК 40 алкоголиков и 127 неалкоголиков, включая 62 больных с определенными болезнями (фиброз). В обеих группах ген допаминовых рецепторов был идентифицирован примерно у трети добровольцев. Ученые взяли интервью у всех участников эксперимента, что позволило провести более тщательные диагностирования алкоголизма, чем это было выполнено группой Нобеля.

Но Нобель и Блюм, подвергшие проверке результаты исследований этой группы, обнаружили, что на самом деле полученные факты подтверждают связь между геном допаминовых рецепторов и тяжелым алкоголизмом. В соответствии с их анализом, проявление гена увеличилось с 25 % в неалкогольном контроле (включая тех пациентов с фибромой, которые часто умирали еще до того как разовьется алкоголизм) до 30 % у 20 алкоголиков, которые не имели медицинских противопоказаний, и 45% у 20 алкоголиков с медицинскими противопоказаниями, такими как цирроз печени.

Изучение хромосом продолжалось. Были выполнены генетические исследования 43 неалкоголиков, 52 тяжелых алкоголиков (алкогольная зависимость плюс медицинские противопоказания), 44 менее тяжелых алкоголиков (только с симптомом алкогольной зависимости). Ген допаминового рецептора был определен у 21% неалкоголиков, 34 % у тех, кто страдал симптомом алкогольной зависимости, и 63% у пациентов с тяжелым алкоголизмом и медицинскими противопоказаниями.

Исследователи провели также биохимический анализ мозга 66 из 70 пациентов. Результаты показали, что у алкоголиков определено значительно меньшее количество мест связывания допаминовых рецепторов, находящихся под контролем гена. Это заставляет предполагать, но пока не утверждать, идею о том, что генетически нарушенную допаминовую активность можно связывать с проявлениями тяжелого алкоголизма.

Эти интригующие исследования призывают к широкомасштабным генетическим изучениям алкоголизма. Широко известно мнение о том, что алкоголизм — болезнь, вызываемая социальными причинами. Полученные генетиками результаты дают возможность иначе посмотреть на корни этого зла. «Среда — это чудовищно мощный агент в

326

I laua V Психофи ню клия алкошлизма и наркомании

2 Пспхофм иолошя наркомании

327

продуцировании алкоголизма Но гены изучать легче,» — так считает Э Нобель, один из исследователей-гене гиков

Существуют разные способы лечения алкоголизма физиологические, психологические и социальные Многие физиологические методы применяются вместе с психологическими, но чаще они употребляются и в «чистом виде», даже без каких-либо попыток применить психотерапию

2. Психофизиология наркомании

Токсикомания связана с хроническим или периодическим отравлением, влияние которого на организм весьма значительно Многократное употребление наркотика чаще всего приводит к привыканию к нему, к развитию толерантности — организм становится все более устойчивым к его воздействию, и для достижения желаемого эффекта требуются все большие дозы

Необходимо отличать физическую зависимость от психологической В обоих случаях существует потребность в данном веществе Когда имеет место физическая зависимость, функционирование ней-ромедиаторсв изменяется так, что организм не может больше обходиться без наркотика, и если прекратить его введение сразу, то может возникнуть Синдром абстиненции, иногда со смертельным исходом Психологическая же зависимость выражается в стремлении употреблять наркотик ради удовольствия или чувства удовлетворения, которое он доставляет В этом случае при лишении наркотика может возникнуть синдром абстиненции аффективного происхождения

Название «наркотики» первоначально применяли ко всем веществам, которые подавляли чувствительность к внешним стимулам через депрессирование ЦНС, а теперь применяют в первую очередь к ядам, известным как опиаты — веществам, экстрагируемым из опиумного мака, и к их производным Также классифицируются как наркотики опиоиды — химические вещества которые полностью синтезированы, но по своему действию напоминают опиаты

Наркотики и боль. Наиболее важным свойством наркотиков является то, что они подавляют боль не только снижая ее восприятие, но также изменяя реакцию на нее Хотя они действуют как седативные вещества, когда применяются в больших дозах, они не используются для получения этого эффекта Кроме болеутоляющих свойств, наркотические анальгетики вызывают острую эйфорию Именно это чувство частично управляет психикой некоторых личностей, направляя на получение и самоприменение этих веществ При постоянном применении для достижения эффекта требуется все большая и большая

доза, а в конце концов возникает психологическая и физическая зависимость, человек становится наркоманом В этом отношении эти вещества сходны с барбитуратами и алкоголем Из-за этих особенностей медицинское использование этих веществ чрезвычайно затруднено и приводит к ограничению использования веществ этого класса

Основной частью опиума и других похожих наркотических анальгетиков является морфин, который был выделен и подвергнут химическому анализу в Германии (1805 и 1817) В конце XIX в был открыт анальгетик — производное морфина — способный, как полагали, не вызывать зависимость от наркотика, и за это получивший название героин Введенный внутривенно, героин вызывает сначала «вспышку» острого и глубокого ощущения полного блаженства, которое длится несколько секунд и затем сменяется чувством благополучия Однако надежды, связанные с героином, рухнули, когда было замечено, что он за весьма короткое время порождает физическую зависимость у 91% наркоманов и поэтому его использование запрещено Некоторые из вновь синтезированных веществ в 1000—10 000 раз сильнее, чем морфин Синтезировав эти вещества, ученые рассчитывали подучить мощное обезболивающее средство, не обладающее побочными действиями морфия, но их надежды не оправдались Первые же эксперименты показали, что применение этих веществ также вызывает физическую и психическую зависимость и привыкание к ним

Опиатные рецепторы. Пути действия наркотических анальгетиков до конца еще не поняты В недавних исследованиях было определено, что специфические области головного и спинного мозга имеют сродство к встраивающимся опиатам, а места связывания опиатов находятся в тех областях, о которых известно, что именно там локализуются центры болевой чувствительности Именно поэтому колоссальное значение для понимания природы действия наркотиков и для поиска эффективных путей лечения от наркомании имеют работы по идентификации рецепторов, на которые воздействуют психотропные яды Исследователями ряда стран в 1973 г на поверхности нейронов животных и человека был обнаружен белок, который является рецептором, специфичным для препаратов морфия Производные морфия — вещества растительного происхождения или синтетические, и, казалось бы в мозгу животного не должно быть рецепторов, существующих специально для того, чтобы воспринимать такие чуждые организму вещества Откуда же взялись рецепторы — высокоспециализированные белковые молекулы возникшие в ходе эволюции, какова их роль в организме? Можно было предположить, что в нервной ткани животных есть собственные морфиноподобные вещества, которые могут восприниматься при помощи этих рецепторов

329

328

i чава V Психофи«ю.ю1ия алкоюлизма и наркомании

Используя наркотические препараты с радиоактивной меткой, удалось выявить обилие опиатных рецепторов в лимбической системе. Поскольку восприятие боли включает как само ощущение боли, так и эмоциональную реакцию на это ощущение, открытие таких рецепторов в лимбической системе может служить дополнительным подтверждением психологических представлений об эмоциях. Эйфория, которую жаждут испытать наркоманы, употребляющие героин, вероятно, возникает в результате связывания героина с опиатными рецепторами лимбической системы. Тот факт, что героин и эндорфи-ны (которые будут рассмотрены в следующем разделе) связываются в одних и тех же местах, позволяет предположить, что эндорфины играют роль и в тех разновидностях эмоций, которые не имеют прямого отношения к боли.

Эндорфины. Эндорфины — это вещества, которые были выделены из мозга и идентифицированы. Удалось установить, что они вырабатываются гипофизом. По своему эффекту эндорфины схожи с наркотическими препаратами, в частности, оказывают болеутоляющее и успокоительное действие. Изучение структуры молекул эндорфинов показало, что у них есть часть, общая со всеми производными морфия, и именно она необходима для связи со специфическими рецепторами нейронов. В настоящее время выделено несколько таких веществ. Они отличаются друг от друга размерами и «поведением»: одни оказывают болеутоляющее действие, другие — нет, они могут успокаивать или возбуждать и даже погружать животных в каталептическое состояние. Эндорфины пополнили список ранее открытых мозговых белков, показавших огромное значение связей нервной и гормональной систем. Но эндорфины имеют свою специфику, очень удобную для исследователей. Прежде всего это их идеальный размер — от пяти до тридцати аминокислот. Их легко обнаружить, так как аминокислот все же не менее пяти, и можно изучать, изменяя их структуру, так как их не более тридцати. И было очень большой удачей сначала обнаружить рецепторы, а потом уже сами белки. Исследователи получили прекрасную экспериментальную модель. Конечно, эндорфинсодержащие нейроны и опиатные рецепторы существуют и в других участках нервной системы. Один из таких участков лежит по ходу медленного проводящего пути. Это область серого вещества около сильвиева водопровода, где оканчиваются аксоны нейронов таламуса (средний мозг) и моста (задний мозг). Инъекции морфина непосредственно в эту область уменьшают боль. Электрическая стимуляция этой зоны вызывает выброс эндорфинов и тоже приносит облегчение Стимуляцию с помощью вживленных электродов уже пробуют использовать в клинике при болях, которые не поддаются никакому другому лечению.

2 Психофизиология наркомании

Энкефалины. Энкефалины — вещества из группы эндорфинов, состоящие из пяти аминокислот. В 1975 г. из мозга свиньи были выделены два коротких пептида, которые были названы «Met-энкефалин» и «Lew-энкефалин». Они различаются одним кислотным остатком. Вскоре такие же вещества обнаружили и в мозге коровы. Было установлено, что выделенные вещества сходны по своему действию с опиатами. Очевидно, что это нейромедиаторы или нейрогормоны, сходные по своему действию с опиатами. Они тоже вырабатываются в организме для снижения боли и могут подавлять работу нейронов в нервной системе. Применение энкефалинов, включая и эндорфины, вызывает эффекты, похожие на те, которые возникают при использовании опиатов.

Функции эндорфинов. Некоторые исследователи полагают, что эндорфины могут иметь в центральной нервной системе более общую функцию — в качестве нейропередатчиков и нейрорегуляторов на уровне синапсов, но в применении не только к боли, но и к некоторым аспектам эмоций и поведения. Эндорфины открыты недавно, и пока трудно говорить о механизме действия, роли в организме и возможностях применения этих веществ. Возможно, взаимодействие эндорфинов с рецепторами связано с системой, тормозящей передачу болевых сигналов. Как известно, боль — важный биологический фактор, обеспечивающий сохранение вида. Это сигнал опасности, мобилизующий защитные силы организма. Эндорфины как раз и являются теми регулирующими субстанциями, которые имеют функцию модулировать ответ на боль оптимальным образом.

Роль эндорфинов в регулировании чувства боли кажется совершенно ясной. Хотя восприятие боли необходимо для того, чтобы предупреждать об опасности, грозящей мягким тканям и костям, постоянная сильная боль может полностью вывести нас из строя. Эндорфины регулируют степень боли, которую мы ощущаем, что дает нам возможность прервать контакт с источником боли и принять необходимые меры, если произошло повреждение ткани. Предполагается, что подобную регулирующую функцию эндорфины выполняют и в эмоциях.

Каково биологическое значение эндорфинов? Энкефалины функционируют в мозгу в качестве нейромедиаторов. После открытия энкефалинов предполагали, что они оказывают обезболивающее действие, участвуют в формировании состояния эйфории, ответственны за отклонения в поведении (при шизофрении). Остается пока непонятным, почему энкефалины и другие эндорфины образуются в гипофизе в результате расщепления более крупных предшественников, а с другой стороны, встречаются в более крупных клетках мозга, высвобождаясь в местах синаптических контактов, образуемых с участием этих клеток. Пептиды такого размера обычно не проникают через гемато-

22-1015

330

Глава V Психофизиология алкоголизма и наркомании

Психофизиология наркомании

331

энцефалический барьер и поэтому не могут достичь клеток мозга. Кроме того, было установлено, что удаление гипофиза не оказывает действия на содержание энкефалинов в мозгу. Поэтому остается открытым вопрос о том, не происходит ли синтез эндорфинов в мозгу иным путем, чем в гипофизе. Не выполняют ли молекулы, образованные в гипофизе, принципиально иные функции? Везде, где были обнаружены энкефалины, были найдены и соответствующие опиатные рецепторы. Эти рецепторы отличаются более высоким сродством к определенным формам эндорфинов (например, к Р-эндорфину и ос-эн-дорфину, чем к Mei-энкефалину).

При внутривенном введении эндорфины оказывают очень слабое болеутоляющее действие. При этом остается невыясненным, связано это с расщеплением гормонов или же с удаленностью их от места воздействия. Если в опытах на крысах эндорфины вводят непосредственно в мозг, то они оказываются чрезвычайно эффективными. В высоких концентрациях они вызывают состояния, подобные шизофрении, обуславливают неподвижность мышц, утрату мигательного рефлекса и снижение температуры тела на 2°. Все указанные эффекты могут быть сняты за несколько секунд введением налоксона — антагониста опиатов.

Роль эндорфинов в лечении. В конце 70-х гг. ученые возлагали большие надежды на искусственные эндорфины, которые только что были синтезированы, но вскоре выяснилось, что они вызывают еще большую зависимость (физическую и психическую), чем героин.

Есть надежды на возможность лечения с помощью эндорфинов некоторых мозговых заболеваний, поскольку эксперименты указали на возможную причастность этих веществ к поддержанию нормального поведения. Высказываются предположения, что изменение количества и качества эндорфинов, как и других нейропередатчиков, может лежать в основе мозговых заболеваний. Так, избыточное количество так называемых р-эндорфинов было обнаружено в спинномозговой жидкости больного шизофренией.

Эндорфины таят в себе много неожиданного для исследователей. В них, например, начинают видеть вещество, посредством которого, возможно, оказывает свое обезболивающее действие иглоукалывание. Здесь интересны работы канадского исследователя Б. Померанца, выдвинувшего на основании проведенных им экспериментов следующую гипотезу: обезболивающий эффект иглоукалывания основан на том, что стимулируется выработка гипофизом собственных обезболивающих средств. Игла стимулирует нерв, который передает гипоталамусу сигнал — требование высвобождения эндорфинов, а они в свою очередь блокируют болевые сигналы, идущие к высшим нервным центрам. Регистрируя электрическую активность мозговых кпеток

животного находящегося под анестезией, исследователь локализовал кГтки реагирующие на боль. Иглоукалывание тормозило электрическою активност! -синоним боли, и возобновлялась она лишь спустя 90 ГнуГна клетки - болевые рецепторы животного, у «^J^Z лен гипофиз - иглоукалывание никакого воздействия не оказывало. Ин^н-ксона/который тормозит ^У™*™^™^ фия и р-энДоРфина (наиболее активный из ^ДорфиновХ подавляет также и действие иглоукалывания на нервные клетки - рецепторы боли. Исследователи смогли изучить действие и локализацию как ™™™™

ких, так и природных опиатов, используя "РепаРат-ан™б"0™ать Налоксон. Форма молекул налоксона позволяет им бл^иР°вать опиатные рецепторы, связываясь с ними, хотя сам препарат^^обладает обезболивающими свойствами. Когда налоксон блокирует рецето ры, ни опиаты, ни эндорфины уже не могут их т^^тся7е^1 торможение выброса болевых нейромедиаторов сгановится невоз можным (налоксон дают наркоманам, которые приняли слишком

=======

подтвердило, что клетки этой области содержат большие количества

«эндогенных опиатов» - эндорфинов. ^рттгЬическими ан-

Открытие класса веществ, которые являются спецш}.игек им тагонистами действия опиатов, сделало возможны,.лечениепередо зировки опиатов быстро и эффективно. Стандартным веществом, и пользуемым в таких случаях, является ^^^^лешш гонистов имеют опиатоподобные свойства, и это привело ъ: нового класса анальгетиков, смешанных ^нисгов^го^ надежда, что эти вещества будут обладать "^кзирующ^ ФФ том не приводя к эйфории, снижая возможность рази-г I нии. Три широко применяемых^вещества э™° ™ ' буторфанол и нальбуфин - обладают таким же свойством, как морфин, и вызывают малую эйфорию

22*

332

1 лапа V Психофизиология алкоголизма и наркомании

3 Психофизиология и экология

333

ют ее совсем. По-видимому, эти вещества в значительно меньшей мере могут вызывать наркоманию и привыкание к ним.

Привычное использование психотропных веществ. Многие люди, не отдавая себе в этом отчета, ежедневно употребляют психотропные вещества, чтобы «подстегнуть» себя, включиться в трудовой день. Это прежде всего кофеин, содержащийся в кофе, чае и тонизирующих напитках вроде кока-колы. Он представляет возбуждающее средство.

Никотин — еще одно возбуждающее средство, но далеко не безобидное. Его действие общеизвестно: он прежде всего помогает преодолеть стресс. Действительно, усиливая секрецию серотонина, никотин ослабляет активность мозговых клеток, что ведет к чувству удовлетворения. Только через некоторое время происходит увеличение количества норадреналина, и это сопровождается повышением активности мозга. Это состояние сохраняется несколько десятков минут, и тогда курильщику хочется выкурить новую сигарету. Искусственное взбадривание себя на все более короткие интервалы времени приводит к фактически бесконтрольному увеличению выкуриваемых сигарет. Возникает психологическая зависимость. Физиологические же последствия от курения общеизвестны.

Открытие в мозгу морфиноподобных веществ вызвало большой интерес. Можно ожидать новостей и в понимании действия наркотиков на мозг. Эксперименты показывают, что действие наркотических веществ опосредовано их прямым влиянием на нейромедиаторные системы. Например, галлюциногены ЛСД и мескалин, так же как и торазин, являются антагонистами дофамина; они влияют на психическое состояние, в частности, устраняют депрессию. (Дофамин —нейро-медиатор, он обнаружен в полосатом теле и в базальных ганглиях. Хорошо изучено высвобождение дофамина в синапсах базальных ганглиев. Отсутствие этого стимулятора приводит к болезни Паркинсо-на, хоторая характеризуется ригидностью мышц, задержкой начала движения и отсутствием сопутствующих движений, таких как движения мимической мускулатуры — лицо становится неподвижным, маскообразным.) Согласно одной из гипотез алкоголизм связан с нарушением дофамин-зависимых процессов.

Антагонисты дофамина находят некоторое применение в качестве лекарств. Торазин используют в терапии шизофрении. Побочное действие препятствует более широкому использованию этого препарата, так как он блокирует дофаминовые рецепторы и вызывает симптомы, характерные для болезни Паркинсона. При отмене препарата эти симптомы исчезают. Прямое введение дофамина невозможно, так как

он не проникает в головной мозг. Пока здесь больше вопросов, чем ответов, но открытия последних лет ясно показывают, что путь поиска лекарств в самом человеке — самый надежный и перспективный, поскольку новое в «классической» фармакологии стало редкостыо.'и патенты на чудо-лекарства отошли в область преданий.

3. Психофизиология и экология

В атмосферу выбрасывается более 200 вредных веществ, среди которых свинец, медь, ртуть, кобальт, барий и др., относящиеся к первому классу опасности. Многие из них не разрушаются даже после переработки отходов и, попадая в почву, усваиваются растениями, а затем попадают в организм человека и животных. Детальное изучение веществ, отрицательно действующих на состояние человека, позволяет не только узнать механизмы этих влияний, но и разработать адекватные меры защиты. В экологическом мониторинге первостепенное значение имеет исследование влияния солей тяжелых металлов.

Опасность действия тяжелых металлов состоит в том, что в силу физических и химических особенностей строения молекулы они проникают внутрь нервных клеток, где конкурируют с кальцием и грубо искажают работу нейрона, а следовательно, и всей нервной системы. Каковы тонкие механизмы действия этих веществ на работу мозга?

В организме человека и животных обнаружено около 70 химических элементов, которые в зависимости от их биологического значения разделяют на несколько групп. Кобальт и марганец вместе с натрием, калием, кальцием, хлором и другими элементами относят к незаменимым, т. е. таким, которые входят в состав ферментов, гормонов и витаминов. Кадмий относят к тем элементам, которые постоянно определяются в живых организмах, но его биологическое значение еще недостаточно изучено. Общим для всех перечисленных веществ является то, что они поступают в организм человека и животных из продуктов питания, воды или атмосферного воздуха, т.е. экзогенны; имеют значение в процессах роста, размножения, кроветворения, клеточного дыхания, обмена веществ; образуют с белками металлорганические комплексные соединения, являющиеся регуляторами биохимических реакций; входя в состав гормонов и витаминов, выполняют роль катализаторов биохимических реакций. В случае аномального содержания или нарушенного соотношения элементов в окружающей среде в организме человека развиваются нарушения с характерными клиническими симптомами, главным образом из-за нарушений функций ферментов.

Опыты, выполненные на интактных и изолированных нейронах виноградной улитки Л.К. Хлудовой и Т.Н. Греченко (1994), показали,

334

Глаиа V Пскхофшиолошя алкоголизма и наркомании

что блокада катьциевой проводимости мембраны нейронов ионами кобальта, кадмия и марганца приводит к снижению электрической возбудимости нейронов, некоторые нейроны полностью прекращают генерировать потенциалы действия и, следовательно, участвовать в процессах обработки и передачи информации. Ионы бария резко повышают возбудимость и снижают пороги генерации ПД, так что под-пороговые стимулы приводят к запуску сверхсильных ответов. Ионы бария вызывают включение фоновой пейсмекерной активности даже у тех клеток, которые в норме никогда ее не демонстрируют (рис. 21). Особенностью действия ионов бария является то, что они нарушают координированную деятельность механизмов, участвующих в инициации и прекращении генерации ПД, в результате возникают продленные потенциалы действия. Длительность этого вида патологической активности нейронов может достигать нескольких десятков секунд — в проведенных опытах до 20 с. Значительные нарушения происходят в синаптических процессах — изменяется чувствительность нейронов к действующим медиаторам, в частности, к ацетилхолину и серотонину, зафиксированы изменения знака исходной реакции на противоположный. Например, при действии бария по причине депо-ляризационного смещения МП, исходно возбудительные ответы на АХ становятся тормозными. Присутствие ионов бария, марганца, кадмия блокирует простые виды обучения в форме привыкания и фаси-литации. Полученные результаты показывают, почему опасно действие тяжелых металлов — они искажают работу мозга, что, естественно, влияет на психическое состояние человека и животных

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вводный курс завершен. Надеюсь, что его цели достигнуты. Они заключались: 1) в знакомстве с основными проблемами в области изучения памяти, восприятия, функциональных состояний и некоторых других, представленных в этом учебнике, и 2) в усвоении языка современной психофизиологии, на котором говорят исследователи, обсуждая эти явления. Если студент, изучив предложенный курс, может читать научную литературу по этим проблемам и при этом не впадать в панику при встрече с термином «спайк», «пейсмекер», «цАМФ», «ионные каналы» и т.д. и воспринимать как естественное то, что в психологической проблеме использованы методы биохимии, молекулярной генетики и других биологических наук, значит этот материал им вполне усвоен и он готов к дальнейшему изучению предмета.

Тем, кто в будущем решит специализироваться в области психофизиологии, необходимо сразу осознать, что эта дисциплина исключительно многообразна, объединяет методы и понятия многих наук и требует постоянного самообразования. Ни один учебник не сможет дать исчерпывающих сведений по этому предмету, потому что психофизиология берет многое из многих научных направлений. Истинную же ценность любого направления исследований составляют новые продуктивные идеи, разработка которых в психофизиологии может быть исключительно интересной благодаря разнообразию и нетривиальности методов.

Рис 21. Влияние бария на электрическую активность нейрона моллюска Helix pomatia (используется физиологический раствор, в котором Са++ замещен Ва++). а —ответ нейрона на деполяризационный ток силой 0,7 нА (1) и 1,2 нА (2) длительностью 1,5 с и микроаппликацию АХ (3), б,в — активность нейрона через 3 мин и через 10 мин после замещения нормального физиологического раствора барий-содержащим Калибровка'

20 мВ. 1 с.

Терминологический словарь

337

Терминологический словарь

Абстинентный синдром — особое психическое и физическое состояние организма, возникающее у наркоманов и алкоголиков при резком прекращении использования наркотика или алкоголя, которое может закончиться смертью Абстиненция — полное воздержание от употребления наркотиков или алкоголя. Адаптация — 1) приспособление глаза к определенным условиям видения. Темповая А. — приспособление глаз к условиям пониженного уровня освещенности; обеспечивается расширением зрачка и повышением чувствительности сетчатки со смещением области максимальной чувствительности в синюю часть спектра, регенерацией зрительного пурпура. Световая Л. — приспособление глаз к условиям повышенной освещенности; обеспечивается сокращением зрачка и снижением содержания зрительного пурпура. 2) А нейрона к микроэлектроду — процесс стабилизации уровня мембранного потенциала нейрона, продолжающийся в течение 10—30 мин после введения микроэлектрода. Адиспаропйя — временное неразличение цвета при утомлении зрительной системы. Аккомодация — процесс приспособления глаза к ясному видению предметов, находящихся на близком расстоянии от наблюдателя, во время которого происходит округление хрусталика, связанное с сокращением цилиарной мышцы внутри глаза.

Активная память - совокупность активных энграым (следов памяти, готовых к воспроизведению в данный момент времени).

Активная энграмма — след памяти, находящийся п состоянии, готовом для реализации на уровне поведения, и существующий па уровне электрической активности определенных нервных элементов.

Активный транспорт ионов (через клеточные мембраны) — поддержание ионных градиентов и электрической поляризации поверхностной мембраны, требующее затраты значительной части внутренней энергии клетки.

Актуальные пейсмёкерные нейроны — все нейроны, обладающие фоновой пейс-мекерной активностью. Алкоголь — этанол (С2Н5ОН), если он рассматривается как отравляющее вещество.

Альфа-ритм — электрическая ритмическая активность мозга частотой 8—12 Гц, наиболее выраженная в затылочной области. Является электрографическим выражением реакции релаксации, наиболее отчетливо проявляется при закрывании глаз.

Амблиопйя — частичная или полная потеря зрения, не связанная с какими-либо аномалиями самого глаза Амнестйческий интервал — время после обучения, в течение которого применение амнестического агента вызывает нарушение памяти в форме ретроградной или ан-тероградной амнезии. Амнестйческое воздействие — химическое, электрическое или механическое воздействие, применение которого вызывает нарушение памяти в форме ретроградной или антероградной амнезии. Анестетики — яды, временно снижающие способность воспринимать сенсорные стимулы; действуют на мозг или периферическую нервную систему и подавляют ответы на прикосновение, давление или боль; используются при проведении хирургических операций. Аномалии цветового зрения — дейтеранб-пия (врожденная частичная цветовая слепота, при которой отсутствует восприятие зеленого цвета), протанбпия (врожденная

частичная цветовая слепота, при которой отсутствует восприятие красного цвета); тританбпия (врожденная частичная цветовая слепота, при которой отсутствует восприятие синего (фиолетового) цвета). Аномальная трихромазия и дихрома-зия — снижение восприятия красного (протаномалпя) или зеленого (дейтсрано-малия) цветов; при дихромазии — частичной цветовой слепоте (в зависимости от восприятия цвета называемой нротано-пией и дейтеранопией) — расстройства цветового зрения выражены значительно резче.

Ассоциативное обучение — обучение, при котором для достижения эффекта предъявляется два и более стимулов в определенной последовательности. Результатом может быть то, что подкрепляемый стимул вместо свойственной ему реакции начинает вызывать другую реакцию, ему не свойственную. В качестве условного раздражителя может использоваться стимул, вызывающий специфическую реакцию. Ахроматические цвета — белый, черный и серый со всеми многочисленными оттенками (их более трехсот). Все остальные цвета — хроматические. Бинокулярное зрение — видение двумя глазами; существенное отличие бинокулярного зрения от монокулярного состоит в ощущении глубины. Биологический ритм — повторение определенного события в биологической системе через более или менее регулярные промежутки времени; генетически запрсу граммированные приспособления к периодической среде, закрепленные в генетической структуре, которые используются организмами как подлинные часы. Б.р. охватывает широкий диапазон периодов — от миллисекунд до нескольких лет; существует не только у организмов с хорошо развитым мозгом, по и у не имеющих его (водоросли).

Биологические часы — внутреннее устройство для измерения времени у живого организма, основанное на строгой периодичности физико-химических и физиологических процессов в клетках (биологических ритмах); способность живых существ ориентироваться во времени

Борьба полей зрения — феномен зрительного восприятия, который заключается в том, что если на сетчатках правого и левого глаза создаются очень сильно различающиеся изображений, то одно из них перестает восприниматься. Временная организация — размещение во времени процессов, выполняющих определенные функции при обучении и запоминании. В.о. следа подразумевает последовательность развития во времени качественно разных процессов, приводящих к фиксации приобретенного опыта. Время консолидации — интервал времени после обучения, в течение которого действие амнестического стимула вызывает ретроградную амнезию. •«Выцветание» пигмента — биохимический процесс, в результате которого специфическое преобразование единственной молекулы приводит к закрытию миллионов пор, необходимых для изменений электрического потенциала. Выцветание молекулы зрительного пигмента приводит к следующим событиям: белковая часть обесцвеченной молекулы пигмента активирует большое число молекул фермента транедуцина, а каждая из них в свою очередь инактивирует сотни молекул циклического гуанозипмонофосфата (цГМФ), участвующих в открытии пор. Гетеросинаптйческая фасилитация (ГСФ) — нейрофизиологический механизм ассоциативного обучения, впервые изученный Э. Кенделом и Л. Током (1968) на препарате морского моллюска Aplysia.

Гиперслбжные рецептивные поля кортикальных нейронов — рецептивные поля, специализированные на определении сложных параметров стимулов, таких как определенная длина (детекторы концов линии), угол и т.д. Глазодоминантность - различие в реакции клетки при действии оптимальных стимулов на правый и левый глаз. В каждом полушарии число клеток, лучше активируемых с противоположной стороны (от контралатерального глаза) и с той же стороны (от ипсилатерального глаза), примерно одинаково. При этом встреча-клея все степени относительного доминн-

Терминологический словарь

338

ровапия глаза, начиная от клеток, возбуждаемых исключительно с левого глаза, и кончая клетками, отвечающими только на стимуляцию правого глаза. Горизонтальные, биполярные, амакрй-новые клетки — клетки, расположенные в среднем слое сетчатки. Биполярные клетки имеют входы от рецепторов и многие из них передают сигналы непосредственно ганглиозным клеткам. Горизонтальные клетки соединяют рецепторы и биполяр* ные клетки связями, идущими параллельно сетчаточным слоям; амакриновые клетки связывают биполярные клетки с ганглиозными.

Гороптер — совокупность всех точек пространства, которые дают изображение на корреспондирующих местах сетчаток. Градиент ретроградной амнезии — соотношение между силой амнестического воздействия и временем, прошедшим после обучения, при котором все еще возникает ретроградная амнезия. Дальтонизм — невозможность правильно различать красное и зеленое. Два пути информационного потока через сетчатку — прямой путь, идущий от фоторецепторов к биполярным и далее к ганглиозным клеткам, при этом одна биполярная клетка имеет входы лишь от одного рецептора или от сравнительно небольшого их числа, а одна ганглиозная клетка — от одного или сравнительно немногих биполяров; и непрямой путь, при котором между рецепторами и бипо-лярами могут быть включены еще горизонтальные клетки, а между биполярами и ганглиозными клетками — амакриновые клетки.

Декларативная память — память на события и факты, включает запоминание слов, лиц и т.д., обеспечивает ясный и доступный отчет о прошлом индивидуальном опыте.

Дёльта-вблны — ритмическая активность мозга частотой 0,5—2 Гц. Дельта-сон — 3-я и 4-я стадии сна, характеризующиеся увеличением на ЭЭГ высокоамплитудных медленных дельга-волн. В 3-й стадии они занимают от 30 до 50% всей энцефалографической картины, а в 4-й - свыше 50%.

Детектор времени — нейроны, избирательно реагирующие на стимулы, разделенные определенными интервалами времени.

Дирекциональная селективность (избирательность) — способность клеток со сложными рецептивными нолями реагировать на движение стимула в определенном направлении.

Диспаратные точки — пекорреспоиди-рующие точки сетчатки. Диссоциированное обучение — обучение и воспроизведение навыка, приобретенного в процессе обучения, зависящее от функционального состояния. Правильное воспроизведение результатов обучения происходит только на таком же функциональном фоне.

D-нейроны — нервные клетки, отвечающие на действие нейромедиатора деполяризацией (уменьшением мембранного потенциала). Н-нейроны — нервные клетки, отвечающие на действие нейромедиа-торов гиперполяризацией, т.е. увеличением мембранного потенциала. Долговременная память — стабильное состояние энграммы, обеспечивающее се сохранение в течение длительного времени, соизмеримого с продолжительностью жизни.

Долговременная потенциация (LTP) — сохраняющееся несколько часов (па препарате) или несколько дней или педель (на целом организме) увеличение сииап-тической передачи, вызванное короткой высокочастотной стимуляцией синапти-ческого проводящего пути или же парной прссинаптической активацией с постсинаптической деполяризацией. Наиболее распространенной техникой получения LTP является высокочастотная тетанизация (10 залпов по 200 Hz в течение 75 мс при межпачечиом интервале 10 с in vitro, или 100 Hz в течение 1 с повторенная 3 раза с интервалом 20 с in vivo).

Жёлтое пятно — место наиболее ясного видения на сетчатке глаза; оно окрашено в желтый цвет и имеет наиболее высокую концентрацию колбочек. Лежит несколько к виску и вверх от места вхождения зрительного нерва в самом центре; имеет

удлиненную в горизонтальном направлении, овальную форму; наибольший диаметр желтого пят на от 2,9 до 0,6 мм. Закон Бунзена — Роско — для получения одного и того же фотохимического эффекта надо, чтобы между / и t существовала обратная пропорциональность. Чем сильнее раздражитель, тем он может быть короче, и, наоборот, чем он слабее, тем он должен быть продолжительнее. Эта зависимость нашла экспериментальное подтверждение в ряде фотохимических реакций и известна как: / х t -А, где Л есть некоторая постоянная. Закон Пйпера — показывает соотношение между яркостью и площадью стимула. Произведение яркости раздражителя на квадратный корень из величины его площади, т. е. Вч5 = К, где К есть константа, является постоянным для порогового ощущения.

Зрачок — отверстие, образованное радужной оболочкой, через которое свет проходит к хрусталику, а затем к сетчатке уже в виде изображения.

Зрительная депривация — лишение зрительного опыта.

Зрительное поле — участки окружающего пространства или зрительной сцены, которые видны обоими глазами. Зрительный нерв — нерв, сформированный аксонами ганглиозных клеток. Выходя из сетчатки, он направляется в специализированные для зрения отделы мозга (в каждой сетчатке около 125 миллионов палочек и колбочек, но всего 1 миллион ганглиозных клеток). Изолированный нейрон — биологическая модель для специальных исследований. Можно различать физическую изоляцию, связанную с выделением клетки из мозга животного, и функциональную, при которой клетка остается в естественной системе элементов (например, наложение лигатуры).

Инвертированный глаз — глаз, у которого сетчатка «вывернута наизнанку», первый слой сетчатки расположен у задней стенки, а последний слой (ганглиозные клетки) расположен ближе всех к источнику света. Рецепторы находятся в заднем слое сетчатки, позади кровеносных сосудов.

339

Это означает, что свет должен пройти через сеть кровеносных сосудов и тонкую сеть нервных волокон, включающих три слоя нервных клеток и множество соединительных клеток, прежде чем он достигнет фоторецепторов. Оптически сетчатка вывернута наизнанку подобно тому, как если бы в камере пленка была бы повернута светочувствительным слоем в другую сторону.

Инфрадианные ритмы — ритмы с периодом более суток, т.е. цикл повторяется меньше одного раза в сутки. Ипсилатеральный глаз — глаз той же стороны.

Каналы мембраны — протеиновые норы в липидном бислос, которые позволяют специфическим ионам быстро передвигаться по электрохимическому градиенту и не требуют метаболической энергии. Катаракта — помутнение хрусталика; он пропускает свет, но не позволяет формироваться изображению на сетчатке. Классический условный рефлекс — одна из форм ассоциативного обучения, при которой исходно неэффективный раздражитель, называемый условным (УС), повторно сочетается с высокоэффективным раздражителем, называемым безусловным (БС). БС вызывает ярко выраженную реакцию без предварительного обучения. В результате выработки условного рефлекса УС приобретает способность вызывать либо более сильный, либо новый ответ. Для того чтобы образовалась условная связь (произошло обучение), УС должен коррелировать с БС, предшествуя ему на некоторый критический промежуток времени.

Клетки с ол-центром и с о^-центром — нейроны, избирательно активирующиеся или тормозящиеся в зависимости от местоположения стимула в рецептивном поле. Клетка с оя-центром работает с повышенной частотой при появлении стимула в центре или около центра рецептивного ноля. Клетки с о//-нентром активируются па выключение стимула; при включении стимула сильным повышением количества генерируемых разрядов отвечает оп-нериферия рецептивного ноля о//-клстки.

340

Терминологический словарь

Тсрминологический словарь

341

Кодирование номером канала — определенному сигналу в нервной системе ставится в соответствие конкретный максимально возбужденный нейрон-детектор, а определенной реакции соответствует максимальное возбуждение ее командного нейрона.

Колонки глазодоминантности — функциональная организация нейронов коры, у которых обнаружено свойство доминирования. Колонки глазодоминантности проходят от поверхности мозга до белого вещества: когда микроэлектрод входит в кору перпендикулярно се поверхности, он последовательно встречает клетки, лучше реагирующие на стимуляцию одного и того же глаза. Если электрод вводили с наклоном к поверхности коры, как можно ближе к линии, параллельной поверхности, то клетки с разной глазодоминантнос-тыо чередовались — доминирующим был то один глаз, то другой. Полный цикл смены глазодоминантности соответствует примерно одному миллиметру. Колонки нейронов зрительной коры — организация нейронов, при которой некоторое свойство клеток остается постоянным во всей толще коры от поверхности до белого вещества, по изменяется в направлениях, параллельно поверхности коры.

Колонки ориентационной чувствительности — функциональная организация нейронов зрительной коры, имеющих максимальную чувствительность к одной и той же ориентации стимула в рецептивном поле.

Командный нейрон — интернейрон, возбуждение которого приводит к генерации фиксированной реакции, вызывает целостный поведенческий акт или его отдельный фрагмент. Командный нейрон оборонительного поведения обладает латентным пейсмекерным механизмом. Конвергенция и дивергенция — движения глаз, которые приводят к сведению (конвергенция) или разведению (дивергенция) зрительных осей. Консолидация — гипотетический процесс, переводящий след памяти из кратковременного в долговременное храпение; процесс, предваряющий п опосредующий

нейрофизиологические проявления пластичности. К. завершается к моменту достижения максимального электрофизио-логнческого выражения следа памяти. Контраст — отношение разности яркостей объекта и фона к их сумме; пороговый К. — минимальный контраст, воспринимаемый глазом; цветовой К. — ощущение изменения цвета, вызываемое одновременным или последовательным воздействием на глаз излучений другого цвета (цвет воспринимается как более интенсивный, если его окружает поле, окрашенное в дополнительный цвет). Контралатеральный глаз — глаз противоположной стороны.

Концентрическое рецептивное поле — структура рецептивного поля, адекватная для элементов сетчатки и наружного коленчатого тела. Такие рецептивные поля имеют ои-центр (возбудительный ответ на включение стимула) и о/У-псриферию (возбудительный ответ на выключение стимула) или наоборот. Концептуальная рефлекторная дуга — схема нейронной организации рефлекторного акта.

Корреспондирующие точки сетчаток — точки на сетчатках обоих глаз, которые лежат в одном и том же направлении и па одном и том же расстоянии от центральной ямки.

Косоглазие — непараллельность оптических осей глаз.

Кратковременная память — активное состояние следа памяти, готового к воспроизведению.

Кривая яркости — зависимость чувствительности к свету от длины евсковой волны, но вне связи с теми цветами, которые видит глаз при каждой длине световой волны.

Латентные пейсмёкерные нейроны — нейроны, у которых отсутствует фоновая спайковая активность; при активации такой клетки в ней возникает и в течение длительного времени поддерживается ритмическая спайковая активность, обусловленная деятельностью пейемскерпого механизма.

Латеральное торможение — один из механизмов взаимодействия рецепторов сет-

чаткн, исследованных на глазе мечехвоста (Limulus). Рецепторы глаза оказывают друг на друга взаимные тормозные влияния. Л.т. является одним из возможных механизмов подчеркивания контраста: усиление контраста происходит в области резких градиентов изображения на сетчатке. Тормозное взаимодействие двух рецепторов глаза Limulus тем сильнее, чем ближе расположены они друг к другу. Локальный электрошок — электрошок, влияющий на активность определенной группы нервных клеток или на отдельную нервную клетку.

Локус пейсмёкерной активности — высокоспециализированный участок мембраны, являющийся местом локализации механизма эндогенной пейсмёкерной активности.

Локус химической чувствительности — участок мембраны с хеморецепторами, специализированными для приема определенных биологически активных веществ.

Метод -«напоминания» — способ восстановления следа памяти, депрессированно-го амнсстпчсским агентом, предъявлением стимула, похожего па использованный при обучении, но не обладающего самостоятельным обучающим эффектом. Метод •«ознакомления» — способ восстановления памяти, основанный па предварительном пребывании животного в экспериментальной установке; эффективное время нахождения зависит от сложности экспериментальной камеры. Механизм пейсмёкерной активности — внутренний генератор нейрона, связанный с активным транспортом ионов; обеспечивает развитие эндогенных потенциалов и периодическое достижение порога генерации потенциалов действия в отсутствие внешнего источника возбуждения. Механизм электрической возбудимости — создание трапемембранного ионного тока при помощи особого молекулярного устройства поверхностной мембраны, позволяющего воспринимать изменения проходящего через нее электрического поля, практически мгновенно модифицировать ионную проводимость, используя и качестве движущей силы ионные гради-

енты, постоянно существующие между вне- и внутриклеточной средой. Мечехвост {Limulus) —, краб, «живое ископаемое»; живет на восточном побережье США. На препарате бокового глаза Limulus проводятся исследования механизмов взаимодействия нервных элементов сетчатки. Он представляет собой сложный глаз, содержащий около 1000 рмматидиев. Рецепторы сетчатки непосредственно связаны с отдельными нервными волокнами. Нервные волокна отходят от омматидиев в виде небольших пучков и образуют зрительный нерв.

Микроспайки — миниатюрные компоненты, на которые распадается потенциал действия нейрона после применения электрошока. Амплитуда М. от 5—10 мВ до 60 мВ.

Модуляторные нейроны — нервные клетки, получающие возбуждение от локальных детекторов через пластичные синапсы. Возбуждение М.п. усиливает эффективность синапсов детекторов. Мозолистое тело — мощный пучок мис-линизированных волокон, соединяющих два полушария мозга; самый крупный пучок нервных волокон во всей нервной системе (по приближенной оценке в нем насчитывается около 200 млн. аксонов). Монополярные клетки — нейроны, имеющие только один отросток — аксон. Монохромазйя — восприятие мира в черно-белом изображении (отсутствие цветочувствительности). Моторное поле рефлекса — совокупность определенным образом организованных мышечных единиц.

Мультиполярные (биполярные) клетки — нейроны, имеющие аксоны и денд-риты.

Налоксон — вещество, блокирующее опи-атные рецепторы.

Наркотики — вещества (в первую очередь яды, известные как опиаты), подавляющие чувствительность к внешним стимулам через дспрсссировапие ЦПС. Наружное коленчатое тело (НКТ) — структура среднего мозга, участвующая в обработке зрительной информации, па нейронах которой волокна зрительного нерва образуют синапсы. Волокна от левой поло-

342

Терминологический словарь

34-3

пины сетчатки левого глаза идут в НКТтой же стороны мозга, в то время как от левой половины сетчатки правого глаза переходят в хиазме на дру|ую сторону it, таким образом, попадают в то же левое 1IKT. Аналогичным образом волокна от правых половин обеих сетчаток тоже оканчиваются в одном — правом — полушарии. ПКТ содержит шесть клеточных слоев. Каждый слой имеет толщину в несколько клеток (от 4 до 10 и более). В ПКТ проекции от сетчаток двух глаз объединяются, и два отдельных изображения проецируются на шесть слоев ПКТ, в любом слое все клетки получают информацию только от одного глаза. Эти слои расположены таким образом, тго проекции от правого и левого глаза чередуются. Аксоны клеток НКТ оканчиваются в первичной зрительной коре.

Нейробиология — общее название для отрасли науки, занимающейся изучением нервной системы и ее главного органа — мозга. Она включает анализ явления на многих уровнях, начиная с молекулярного и кончая поведенческим. Нейромедиаторы — специальные вещества, которые выделяются из пресииапти-ческой терминали. В настоящее время известно несколько десятков иейромедиато-ров пепеитидной природы и сотни медиаторов пептидной природы, которые выполняют функцию передачи электрического сигнала от нейрона к нейрону. Нейрон-детектор — нейрон, избирательно настроенный па определенное значение параметра входного сигнала. Селективная настройка детектора осуществляется за счет фиксированной системы связей его с рецепторами или другими афферентными нейронами более низкого уровня. Нейроны стереоскопического зрения (восприятия глубины) - клетки, настроенные па диспаратность. Нервная клетка — высокоспециализированная клетка, способная быстро изменять величину электрического заряда вплоть до противоположного. К функциям И.к. относится передача информации об изменениях внутри и вне организма, се запоминание на длительные сроки, создание образа внешнего мира и организация поведения.

Нервная модель стимула — созданный нервной системой памятный след о качествах действующего стимула. Все параметры запечатлеваются по мерс предъявления стимула. При изменении любой физической характеристики стимул воспринимается как незнакомый. Действие нового стимула вызывает сигнал рассогласования с нервной моделью стимула, что приводит к растормаживапию ориентировочной реакции. Биологическую основу Н.м.с. составляет матрица иотепции-рованиых синапсов, связанных с определенными свойствами раздражителя. Нерегулярный пейсмёкерный потенциал — пейсмекерные колебания, возникающие с разными промежутками между отдельными волнами.

Обучение — процесс приобретения новых знаний живым объектом, стоящим на любом уровне эволюции. Омматйдий — единица фасеточного глаза насекомых.

Опиаты — вещества, экстрагируемые из опиумного мака, и их производные. Опиоиды — синтезированные химические вещества, по своему действию напоминающие опиаты.

Ориентировочная реакция — комплекс соматических, вегетативных и элсктроэн-цефалографических реакций, возникающих на предъявление каждого нового раздражителя. О.р. — основа исследовательского поведения.

Оуабайн — яд, влияющий па электрогенный активный транспорт ионов; получают из некоторых кустов и деревьев, произрастающих в Африке. Память — процесс фиксации, хранения и воспроизведения информации мозгом. Пейсмекерные потенциалы — осциллирующие потенциалы нервной клетки, выраженные появлением спонтанной или вызванной авторитмической активности, имеющей эндогенное происхождение (близкие к синусоидальным колебания с частотой 0,1 — 10 Гц, амплитудой 3 — 10 мВ). Пейсмёкерный механизм является универсальным и представлен у нейронов животных различных уровней эволюции. Первичная зрительная кора (стриарная кора) — слой нейронов толщиной 2 мм и

площадью в несколько квадратных сантиметров, который на поперечных срезах выглядит слоистым или полосатым (отсюда и ее название — стриарная кора). В одной из первых систем такой классификации стриарной коре был присвоен номер 17 (поле 17). Зрительная кора занимает около 15% всей площади коры. Значительная часть выходных волокон стриарпой коры идет в следующую корковую область — зрительное поле 2 (часто называемое полем 18, так как оно примыкает к полю 17), которое представляет собой полоску коры шириной примерно 6—8 мм, почти полностью окружающую поле 17. Поле 17 унорядоченио, точка в точку, проецируется на поле 18, а последнее в свою очередь образует проекции по крайней мере в трех затылочных зонах: срединной височной (МТ) и зрительных полях 3 и 4 (часто обозначаемые как V3 и V4). Персеверация — самопроизвольные венлывапия в памяти приобретенных знаний.

Пигмент — вещество, содержащееся в фо^ торецепторах, поглощающее часть падающего на пего света и отражающее остальную часть. Зрительный пигмент при поглощении светового фотона изменяет молекулярную форму и при этом высвобождает энергию, запуская таким образом цепь химических реакций, которые в конце концов приводят к появлению электрического сигнала и к выделению химического медиатора в синапсе. Идентифицировано три типа пигментов колбочек: цианолаб, хлоролаб, эритролаб.Опи имеют пики поглощения в области 430, 530 и 560 нм. Названия отражают максимумы чувствительности, которые зависят от светоноглощающей способности. Пластичность — изменение определенного свойства под влиянием ситуации. Порог генерации потенциала действия (ПД) — критический уровень деполяризации нейрона, при достижении которого возникает быстрый разряд. Постсинаптический потенциал (ПСП) — локальная деполяризация пли гиперполяризация мембраны, которая вызывается воздействием иейромедиатора. ПСП могут быть возбудительными (ВИСИ) и

тормозными (ТПСН). Амплитуда ПСП может достигать 20 мВ. Потенциал действия - быстрый разряд нейрона, связанный с изменением разности потенциалов между внутренним содержимым клетки и внешней средой, который генерируется но типу «все-или-ииче-го», имеет длительность менее 1 мс и амплитуду около 100 mV. Потенциал покоя — стационарная разность потенциалов покоящейся клетки между ее внутренним содержимым и наружным раствором.

Привыкание — негативное обучение, одна из простейших форм приобретения индивидуального опыта. Оно выражено постепенным избирательным подавлением и полным исчезновением реакции при повторении раздражителя с интервалами, исключающими периферическую адаптацию и эффект утомления. Привыкание отличается от утомления тем, что после предъявления экстрастимула — любого стимула, отличающегося от ранее использованного по одному из параметров — наблюдается восстановление ответа. Критерии привыкания: 1) при повторении стимула наблюдается снижение амплитуды вызываемого им ответа; 2) чем чаще предъявление стимула, тем быстрее и отчетливее декремент; 3) на более слабый стимул декремент более отчетливый, на сильные стимулы привыкание возможно только незначительное; 4) восстановление может быть продолжено при помощи повторной стимуляции даже в том случае, когда декремент выражен достаточно ярко, вплоть до полного уничтожения ответа; 5) привыкание ответа на данный стимул может генерализоваться и показывать привыкание и к другим стимулам; 6) при прекращении стимуляции происходит спонтанное восстановление ответа; 7) привыкание происходит быстрее при повторных предъявлениях и восстановлениях; 8) предъявление сильного экстрастимула вызывает восстановление ответа (растор-маживание), 9) при повторных использованиях эффективность экстрастимула снижается. Ценность этих характеристик привыкания в том, что их можно применять и для простых нервных систем.

344

Счспое пятно имеет овальную форму с более длинным вертикальным диаметром. По горизонтали оно занимает около \,А-1 8 мм, чему соответствует угол около Ь-67- по вертикали от центральной ямки сетчатки слепое пятно занимает пространство приблизительно с 12 до 18 . Сложные рецептивные поля кортикальных нейронов - участок сетчатки, связанный с наследуемым нейроном, структура которого специфична для Детекгироашия стимула со строго определенными свопе вами - ориентацией и направлением движения светлой полоски на темпом^фонс или наоборот. Если соответствующим об разом ориентированная полоска п реме дается через рецептивное ноле, воз « длительный разряд импульсов. Сложные клетки, способные реагировать на ник движные световые «щели», полоски или границы, дают импульсный разряд не а виснмо от тою, в каком месте репей иию го ноля расположен стимул, лишь бы ори гнтаиия его была подходящей. £Г специфическое функциональное

Принцип конвергенции гетерогенных стимулов — идея о существовании центра конвергенции, который не имеет определенной локализации. Па нейронах, входящих в состав этого центра, сходятся условный и безусловный стимулы. Па основе конвергенции происходит формирование пространственно-временной структуры. U.K. Анохин дополнил концепцию взаимодействиями сигналов различных сенсорных и биологических модальностей.

Простое рецептивное поле кортикального нейрона — участок сетчатки, связанный с исследуемым нейроном, наиболее эффективным стимулом для которого служит линия, движущаяся в рецептивном ноле в направлении, перпендикулярном ориентации этой линии. Такой линией может быть узкая полоса света на темном фоне, или темная полоса па светлом фоне, или же прямолинейная граница между темной и светлой областями. Решающее значение имеет ориентация линии. Число импульсов, возникающих при пересечении стимулом рецептивного ноля, заметно снижается при отклонении ориентации п любую сторону от оптимальной на 10—20°. Когда ориентация стимула отличается от оптимальной на 90°, типичная клетка, избирательно чувствительная к ориентации, перестает отвечать вообще. Зоны возбуждения и торможения в рецептивных нолях всегда разделены одной прямой линией или двумя па-раллельными линиями. Чаще всего встречается такая конфигурация, когда к длинной и узкой возбуждающей зоне с двух сторон примыкают более широкие тормозные зоны.

Протанбпия, дейтеранопия и тритано-пия — полное отсутствие одного из трех видов колбочек. Для получения спект-, ральных цветов, доступных восприятию, достаточно смешать два окрашенных световых потока.

Процедурная память — знание о том, как нужно действовать.

Психологическая зависимость (от наркотика) — стремление применять наркотическое вещество ради достижения чувства удовлетворения.

Терминологический словарь

Психотропные яды — яды, действующие на разум.

Психофизиология — наука о механизмах психических процессов и состояний. Пузырьки в зрительной коре — скопления цпсточуиствитсльных нейронов в зрительной коре, выявленные методами гистохимии.

Радужная оболочка — кольцеобразная мышца, создающая зрачок. Радужная оболочка, составляющая передний отдел сосудистого тракта, состоит из кровеносных сосудов, мышечных волокон и пигментных клеток. От количества последних и зависит «цвет» глаз. Распад потенциала действия — образование из исходного потенциала действия нервной клетки двух или нескольких мик-роспайков.

Реверберация — многократное прохождение нервной импульсной активности по одному и тому же пути через одни и те же сииаптические контакты. Регулярный пейсмёкерный потенциал — пейсыекерные колебания амплитудой 5— 25 мВ с постоянным периодом. Ретроактивное торможение — ухудшение воспроизведения ранее заученного материала после заучивания другого. Соответственно проактивнос торможение — это ухудшение запоминания после выполнения предыдущего задания. Ретроградная амнезия, антероградная амнезия — потеря или ухудшение памяти на события, произошедшие непосредственно перед травмой или действием ам-нсстичсского агента (ретроградная амнезия) или сразу же после нее (антероград-иая амнезия).

Рецептивное поле — совокупность рецепторов, посылающих данному нейрону сигналы через один или большее число синапсов. Для нейронов зрительной системы это некоторая область сетчатки. Рецептивное поле ганглиозной клетки — общая площадь, запятая рецепторами, связанными с одной гапглиозной клеткой но прямому и непрямому пути; равна примерно миллиметру.

Рецептивное поле рефлекса — совокупность рецепторов, возбуждение которых

приводит к возникновению определенного рефлекса.

Рецептивная ось (зрительное направление рецептивного поля) — это линия взора через область рецептивного ноля, дающая максимум разрядов нейрона при оптимальном стимуле. Рецепторы - специализированные белковые молекулы, расположенные па внешней стороне мембраны тела или отростков нервной клетки и чувствительные к специальным биологически активным веществам (нейромедиаторам). Ритмология (хронобиология) — наука, изучающая циклические биологические процессы на всех уровнях организации живой системы.

Родопсин — палочковый пигмент, обладает наибольшей чувствительностью в области около 510 нм (в зеленой части спектра). Поглощая свет, распадается, вызывая электрическое возбуждение фотоэлемента; в темноте вновь синтезируется. Сенситивный период — интервал времени, в течение которого развивающееся живое существо максимально чувствительно к присутствию (или отсутствию) определенных внешних воздействий. Сетчатка — высокоснецнализированная часть мозга, отделившаяся от него на ранних стадиях развития, но связанная с ним зрительным первом; имеет форму пластинки толщиной приблизительно в 1/4 мм; состоит из трех слоев тел нервных клеток, разделенных двумя слоями синаи-сов, образованных аксонами и дендрита-ми клеток; преобразует световое раздражение в зрительное возбуждение и осуществляет первичную обработку зрительных сигналов.

Синапсы — структурно и функционально оформленные места контактов одной клетки с другой.

Следовые процессы — процессы клеточного и внутриклеточного уровня, которые обеспечивают сохранение во времени изменившегося свойства после устранения причины, вызвавшей это изменение. Слепое пятно — место вхождения зрительного нерва в глазное яблоко. Па нем пет ни палочек, ни колбочек, поэтому оно не воспринимает световых раздражений.

23-1015

ый») С ( 4 стадии) и парадоксальный С. эГпоследонательность повторяется каждом из пяти циклов (примерно, ..о J0 минут), обычных во время нормальною сна 1-ая стадия «медленного, С.

личной частоты. 2-я стадия (поверхност
„ый сон) характеризуется регулярныы но_
явлением веретенообразного ригмаП
18 в 1 с («сонные веретена,)- 3-я '«

дии объединяются иод ««ваписм дельта-сна: во время этих стади нJJ1 постепенно увеличиваются высоко-ли_ тудные медленные волны -_ Д^

346

Терминологический словарь

347

Тонус мышц диафрагмы рта падает до нуля. Выделяют фазпчсскис проявления, возникающие эпизодически: быстрые движения глазных яблок при закрытых веках (БДГ), мышечные подергивания в отдельных группах мышц, изменения частоты сердечного ритма и дыхания с общей тенденцией к возрастанию показателей по сравнению с бодрствованием и медленным сном.

Стереоскопическое зрение (стерео-псис) — способность воспринимать глубину пространства и оценивать удаленность предметов от глаз. Строфантин — яд, содержави-гася в семенах и коре растений; ингибитор активного транспорта ионов; в малых дозах используется в кардиологии. Теория оппонёнтных цветов — теория, согласно которой в зрении участвуют три пары процессов, причем два процесса каждой нары антагонистичны друг другу. Этим трем парам соответствуют ощущения черного — белого, красного — зеленого и желтого — синего. Выдвинута немецким физиологом Э. Герингом (1874). В 50-е гг. нашего века были получены прямые нейрофизиологические подтверждения этой идеи в опытах Све-тихина на рыбах и Де Валуа па обезьянах.

Тетродотоксин — водорастворимый паралитический яд, найденный в яичниках и печени рыбы-шар и в яйцах некоторых видов саламандр. При наружном применении обладает избирательным действием в отношении натрия (блокирует вход натрия в нейрон, переводя натриевые каналы в латентное состояние). В результате потенциалы действия натриевой природы полностью исчезают.

Токсикомания — общее название болезней, характеризующихся влечением к приему веществ, вызывающих опьянение, кратковременную эйфорию, включает злоупотребление наркотиками (наркомания), алкоголем (алкоголизм), галлюциногенами, средствами бытовой химии и др.; проявляется многообразными психическими и соматическими расстройствами, нарушением поведения, социальной деградацией.

Топографическое отображение — упорядоченное отображение нижележащей мозговой структуры на вышележащую: точки какой-либо линии на сетчатке при проекции в ПКТ и в зрительной коре также образуют одну непрерывную линию. Все волокна зрительного нерва, выходящие из небольшого участка сетчатки, будут направляться к определенному участку НКТ, а все волокна от небольшой зоны НКТ придут в определенную зону зрительной коры.

«Торможение торможения» — гипотеза, согласно которой амнестичсскос действие электрошока основано на растормажива-нии реакции избегания, т.е. животные должны затормозить свои движения, а ам-нестический агент «тормозит торможение».

Трехкомпонёнтная теория цветового зрения — теория, согласно которой в зрительной системе существуют три цветоо-щущающих аппарата, которые реагируют на различные цвета. Предполагается существование трех «основных» цветов: красного, зеленого и фиолетового. Любой видимый в спектре цвет может быть получен смешением не менее трех световых лучей. Согласно теории Ломоносова — Юнга — Гельмгольца, существуют три тина цветочувствитсльпых элементов, реагирующих на красный, зеленый и синий (фиолетовый) цвета. Каждый вид этих рецепторов возбуждается преимущественно одним из основных цветов, реагируя частично и на другие. Ощущение «неосновных» цветов возникает при смешении сигналов трех рецепторных систем, а ощущение белого цвета — при равномерном смешении этих сигналов. Ультрадианные ритмы — ритмы с периодом меньше суток.

Фасилитация памяти — улучшение воспроизведения ранее заученного под влиянием определенных химических или электрических раздражений. Физическая зависимость (от наркотика) — состояние организма, возникающее при действии определенного наркотического вещества, характеризующееся тем. что организм не может обходиться без наркотика.

Фоновоактивные (фоновонеактйвные) нервные клетки - нейроны, обладающие фоновой ритмикой (соответственно, фо-новоисактивные такой ритмикой не обладают).

Формы ассоциативного обучения — классический условный рефлекс и инструментальный условный рефлекс. В классическом павловском рефлексе безусловное подкрепление подается за условным сигналом независимо от того, как реагирует на этот сигнал животное. Инструментальный условный рефлекс состоит в реализации такой реакции, которая позволяет достичь или избежать последующего безусловного раздражителя. Фоторецёпторы — элементы, содержащиеся на задней поверхности сетчатки. Светочувствительные рецепторы представлены палочками и колбочками. Самые маленькие из них величиной в 1 мкм, что равно приблизительно двойной длине волны красного света. Палочек больше, чем колбочек. Они ответственны за зрение при слабом свете, обеспечивают только восприятие оттенков серого и отключаются при ярком освещении. Колбочки не реагируют i на слабый свет. Они ответственны .за способность видеть тонкие детали и за цветовое зрение. Дневное зрение, осуществляемое с помощью колбочкового аппарата сетчатки, обозначается как «фотопическое», в то время как восприятие оттенков серого палочковым аппаратом при тусклом освещении называется «скотопическим». Палочки, как и колбочки, содержат светочувствительные пигменты. В палочках пигмент один и тот же; колбочки делятся на три типа, каждый со своим особым зрительным пигментом. Эти четыре пигмента чувствительны к различным длинам световых волн, и в случае колбочек эти различия составляют основу цветового зрения. Функциональное состояние — фоновая активность ЦНС, в условиях которой осуществляется определенная деятельность. Функциональное состояние нейрона — совокупность фоновых параметров активности нейрона — уровня мембранного потенциала, амплитуды потенциалов действия (ПД), порога генерации ИД, состояния пейемскерпого механизма, постси-

нантической чувствительности к нейро-медиаторам.

Хиазма (зрительный перекрест) — место частичного перекреста зрительных волокон, идущих в мозг от каждого пцаза. В X. примерно половина волокон каждого зрительного нерва переходит на противоположную сторону мозга по отношению к данному глазу, а другая половина остается на той же стороне мозга. Пройдя хиазму, волокна направляются в несколько разных пунктов. Некоторые из них идут в нейронные структуры, имеющие отношение к таким специфическим реакциям, как движения глаз и зрачковый рефлекс. Однако большая часть волокон оканчивается в двух наружных коленчатых телах.

Хйллок (аксонный холмик) — структурно и функционально обособленная часть нейрона, расположенная в месте перехода сомы в аксон. X. имеет самый низкий порог возбуждения.

Хронаксйя — минимальная продолжительность, при которой раздражитель впервые вызывает реакцию при условии, что раздражитель взят вдвое более интенсивным, чем тот, который является пороговым при неограниченном времени действия (X. Лапика).

Цветовой тон — одна из характеристик хроматических цветов (они обладают цветовым тоном, насыщенностью и светлотой); определяется длиной световой волны. К основным Ц.т. относятся семь цветов солнечного спектра. Цветочувствйтельные нейроны коры — нейроны, сосредоточенные в пузырьковых образованиях и обладающие цветочувствительностью; имеют онпонентно-цветопые рецептивные поля с центром и периферией. Эти клетки получили название двойных ошюнентных из-за их красно-зеленой или желто-синей оппонент-ности в центре и антагонизма периферии по отношению к любой реакции в центре, будь она ой- или off-.

Цветочувствйтельные нейроны НКТ — оппопентио-цветовые клетки двух типов: красно-зеленые и желто-синие, имеющие концентрические рецептивные поля, центр и периферия которых были чувст-

Терминологический словарь

витсльны к одной из пар оинонентных цветов; выявлены в 50—60-е гг. у обезьян при регистрации активности нейронов НКТ.

Цветочувствйтельные нейроны сетчатки — три типа клеток сетчатки: /.-клетки, гиперполяризующисся при световой стимуляции независимо от спектрального состава света; r-g-клетки, гиперполяри-зующиеся волнами малой длины с максимумом ответа на зеленый свет и деполяризующиеся волнами большой длины с максимумом ответа на красный свет; у-Ь — клетки, с максимумом гиперполяризации на синий и максимумом деполяризации па желтый свет. У клеток r-g и у-Ь белый свет вызывает лишь слабые и быстро затухающие ответы.

Центральная ямка (фовеа) — лишенная палочек зона длиной примерно 0,5 мм в середине желтого пятна сетчатки. Ее диаметр около 0,4 мм. Па месте центральной ямки сетчатка становится значительно тоньше (около 0,1 — 0,08 мм) за счет сокращения прочих сетчаточных слоев, сводящихся здесь главным образом лишь к слою колбочек. В области центральной ямки каждая колбочка соединена с отдельной биполярной клеткой и, может быть, с отдельной гаиглиозной клеткой. Циркадианные (околосуточные) ритмы — ритмы с периодом, примерно равным продолжительности суток. Циркадианный осциллятор (колеба-тсль) — биологическая структура, которая является генератором определенного биологического ритма (например, пейсмекер-иая активность нейронов моллюсков, ре-

гулирующих определенные виды поведения).

Цирканнуальные ритмы — ритмы с периодом, близким к одному году. Циркаритмы — суточные, приливные, лунные и годовые ритмы, ведущие себя как автономные колебания и поддающиеся синхронизации периодическими факторами среды.

Экстраполяция — проявление рефлекса на время. На уровне нейронной электрической активности эффект Э. заключается в том, что спайки начинают возникать до действия раздражителя, так что максимум ответа предшествует или совпадает с его появлением.

Электрическая возбудимость — способность нервной клетки к генерации распространяющегося нервного импульса. Эиграмма — сформированный след памяти.

Эндонейрональное привыкание — простейшая форма обучения, в основе которой лежит пластичность пейемскерного механизма, имеющего эндогенное происхождение.

Эндорфйны — вещества, которые вырабатываются мозгом; оказывают болеутоляющее и успокаивающее действие. Энкефалйны — природные пентапепти-ды, вырабатывающиеся мозгом для снижения боли; в мозге идентифицировано три типа рецепторов, которые активируются энкефалинами.

Этил алкоголь — этанол (C2II5OH), наиболее важная часть класса органических веществ, объединенная общим названием «алкоголи».

ЛИТЕРАТУРА

Рекомендуемая:

Биологические ритмы. М.: Мир., 1984.

Блум Ф.,ЛпйзерсопА., Хофстедтер Л. Мозг, разум, поведение. М.: Мир, 1988.

Данилова H.IJ. Психофизиологическая диагностика функциональных состояний. МГУ,

1992.

ДжаддД., Вышецки Г. Цвет в пауке и технике. М.: Мир, 1978.

Костюк П.Г., Крышталь О.А. Механизмы электрической возбудимости нервной клетки.

М.: Наука, 1981.

ОксДж. Основы нейрофизиологии. М.: Мир, 1974.

Основы психофизиологии. М.: Инфра-М, 1997.

Пейсмекерпый потенциал нейрона. Тбилиси: Мсцпперсба, 1975.

Роуз С. Устройство памяти. От молекул к сознанию. М.: Мир, 1995.

Руководство по физиологии (Механизмы памяти). Л.: Паука, 1986.

Сифр М. В безднах земли. М.: Мир, 1982.

Соколов ЕЛ. Нейронные механизмы памяти и обучения. М.: Паука, 1981.

ХъюбелД. Глаз, мозг, зрение. М: Мир, 1990.

Цитированная:

Adams N.E., Lewis DJ. Electroconvulsivc shock, RA, and competing responses. J. Сотр. Physiol. Psychol., 1962, V. 55, p. 299.

Alpem П.Р., McCaugh j.L. RA as a function of FS stimulation. J. Сотр. Physiol. Psychol., 1968, V. 65, p. 265.

Alving B.O. Spontaneous activity in isolated somata of Aplysia pacemaker neurones. J. Gen. Physiol., 1968, V. 51, p. 29.

Amanitaki A.N., Chalasonitis EN. and Otsura M. Action parax. du some neurone d'Aplysia. Compt. Rend., 1956, V. 243, p. 307.

Aserinsky E., Kleilman N. Regulation occurring periods of eye motility and concomitant phenomena during sleep. Sciencc,1953, V. 118, p. 273.

Barani F., Eeher O. Intracellular studies on cortical synaptic plasticity. Exp. Brain Res., 1981, V. 41. p. 124.

Barani F., Feher O. Intracellular studies on cortical synaptic plasticity. Exp. Brain Res., 1981, V. 41, p. 124.

Berger H. Uber das Electroencephalogramm Des Menschcn XIII. Arch. Psychiat. Ncr-venkr.,1952,V. 106, p. 577.

Berlucci, Riccolaili L Binocularly driven neurones in visual cortex of split-chiasm cats. Science, 1968, V. 159, p. 308.

Black M. Incubation of discriminated avoidance responses: ECS does not disrupt long-term memory consolidation. Pap. Easten Psychol. Assoc. Philadelphia, 1969. Bliss T.V.F., Lomo T. Long-lasting potentiation of synaptic transmission in dentate area of the ananaesthetiscd rabbit following stimulation of the perforant path. J. Physiol., 1973, V. 232, p. 331.

350

Литература

351

Bliss T.V.P., Lomo T. Plasticy in a monosynaptic cortical pathway. ]. Physiol., (Engl.), 1970, V. 207, p. 61.

Brady J. The effect of ECS on a CER: the permanence of the effect. ). Сотр. Physiol. Psychol.', 1951, V. 44, p. 507.

BremerF. "Cerveau isole' ct physiologic du sommeil. C.R. Biol., 1935, V. 118, p. 1235. Bures I., Buresova 0. Plastic changes of unit activity based on reinforcing properties of extracellular stimulation of single neurones. J. Neurophysiol., 1967, V. 30, p. 98. Bures I., Buresova 0. Plasticity in single neurones and neural populations. Short-term changes in neural activity and behaviour., Cambridge, 1970, p. 363.

Carpenter D.O. Temperature effects of pace-maker generation membrane potential and critical firing level. J. Physiol., 1967, V. 50, p. 1469.

Caul W.F., Miller R.E. Effects of delay conditioning and pseudo-conditioning on heart rate and suppression of drinking. Psychonom. Science, 1970, V. 18, p. 284. Chaplain R.A. Metabolic regulations of the rhythmic activity in pacemaker neurones. II Me-tabolically induced conversions of beating to bursting pacemaker activity in isolated Aplysia neurones. Brain Res., 1976, V. 106, p. 307.

Chorover S. and Schiller R.H. Re-examination of prolonged RA in one-trial learning. J. Сотр. Physiol. Psychol., 1966, V. 61, p. 34.

Creutzfeldt C, /to M. Synaptic organisation of the visual cortex. Exptl. Brain Res., 1968, V. 6, p. 321.

De Valois R. Contours and contrast: responses of monkey LGB cells to luminance and colour figures. Science, 1971, V. 171, p. 694.

Disterhof/J.F., Olds.J. Differential development of conditioned unit changes in thalamus and cortex of rat. J. Neurophysiol., 1972, V. 35, p. 665.

Doty R.W. Electrical stimulation of the brain in behavioural context. Ann. Rev. Psychol., 1969, V. 20, p. 289.

Fatt P., Katz B. The electric activity of the motor end-plate. Proc. Roy. Soc, В., 1952, V. 140, p. 183.

Flexner A., Flexner A, Intracerebral saline: effect on memory of trained mice treated pyromi-cine. Science, 1968, V. 159, p. 330.

Gerard R.W. The material basis of memory. J. Verb. Learn., Verb. Behav., 1963, V. 2, p. 22. Gold P.E., McGaugh J.L. A single-trace, two process view of memory storage processes. In: Short-term memory, Acad. Print, 1975, p. 355.

Handler A., Konopka R. Transplantation of a circadian pacemaker in drosophila. Nature., London, 1979, V. 279, p. 236.

Hebb D.O. Instinctive features of learning in the higher animal. Brain Mechanism and Learning., Oxford, 1961.

Hebb D.O. The organisation of behaviour. New York, 1949.

Holmgren B. and Frank S. Inhibitory phenomena and «habituation» at the neural level. Nature, 1961, V. 182, p. 1294.

Hubel D.H. and Wiesel T. Receptive fields and functional architecture in nonstriate visual areas (18,19) of the cat. J. Neurophysiol., 1965, V. 28, p. 299.

Jaivik M.E., Kopp R. An improved one-trial passive-avoidance situation. Psychol. Rep., 1967, V. 21, p. 221.

Jasper H.II., Ricci G., Doane B. Microelectrode analysis of cortical cell discharge during avoidance conditioning in the monkey. EEG and Clin. Neurophysiol. Suppl., 1960, V. 13, p. 137. Jessell T.M., Kandel E.R. Synaptic transmission: a bi-directional and self-modifiable form of cell-cell communication. Cell 72/Neuron 10, Review supplement, 1993, V. 1, p. 1. Kandel E.R., Spencer W.A. Cellular neurophysiological approaches in the study of learning. Physiol. Revs., 1968, V. 48, p. 65.

Kandel E.R., Tauc L. Mechanisms of heterosynaptic facilitation in the giant cell of the abdominal ganglion of Aplysia depilans. J. Physiol., London, 1965, V. 181, p. 28.

King R.A. and Closer R.L. Duration of ECS-induced amnesia in rats. Physiol. Bchav., 1970, V. 35, p. 335.

Koppenaal R.J., Jagoda E. and CruceJAJ. Recovery from ECS produced RA following a reminder. Psychonom. Sci., 1967, V. 9, p. 293.

Lewis D.J. and Maker B.A. Neural consolidation and ECS. Psychol. Review, 1965, V. 72, p. 225.

Lewis DJ., Miller R.R., MisaninJ.R. Control of RA. J. Сотр. Physiol. Psychol., 1968, V. 66, p. 48. McConnell J.V., Jacobsen A.L., Kimbl D.P. The effect of the regeneration upon retention of conditioned response in planarian. J.Comp. Physiol. Psychol., 1959, V. 12, p. 1. McGaugh J.L. and Gold P.E. Modulation of memory by electrical stimulation of the brain. Preliminary draft for Conference on neuronal. Mechanisms of Learning and Memory, June, 1974.

MisaninJ.R., Miller R.R., Lewis DJ. Retrograde amnesia produced by clectroconvulsive shock after reactivation of a consolidated memory trace. Science, 1968, V. 160, p. 554. Nachman M., Meinecke R. lack of RA effect of repeated ECS and carbon dioxide treatments. J. Сотр. Physiol. Psychol., 1969, V. 68, p. 631. Noble E.P. The gene that rewards alcoholism. Sci. Am., 1996, V. 3, p. 52. O'Brien I.II., Wilder M.B., Stevens CD. Conditioning of cortical neurones in cats with an-tidromic activation as the unconditioned stimulus. ). Сотр. Physiol. Psychol., 1977, V. 91, p. 918.

OldsJ., Disterhoftj.F., Segal H., Kornblith C.L., Ilirsch R. Learning contersof rat brain mapped by measuring latencies of conditioned unit responses. J. Neurophysiol., 1972, V. 35, p. 202. Penfield W. The mind's brain mechanism. Excerpta Medica., Amsterdam ICS, 1969 V. 193, p. 179.

Penfield W., Perot P. The brain's record of auditory and visual experience. Brain, 1963, V. 86, p. 595.

Schneider A.M. and Schennan W. Amnesia: A function of the temporal relation of foot-chock to ECS. Science, 1968, V. 159, p. 219.

Spinelli D., Ilirsch If. Genesis of receptive field shapes in single units of cat's visual cortex. Fed. Proc, 1971, V. 30, p. 615.

Squire L.R., Knowlton B. and Musen G. The structure and organisation of memory. Annual Review of Psychology, 1993, V. 44, p. 453.

Strumwasser F. The demonstration and manipulation of a circadian rhythm in a single neurone. In: Circadian clocks, 1965. p. 442.

Tauc L., Gerschenfeldt II. Cholinergic transmission mechanisms for both excitation and inhibition in molluscan nervous system. Nature, 1961, V. 192, p. 366.

Therzuolo C.A., Araci T. An analysis of intra-versus exstracellular potential changes associated with activity of single spinal motoneurons. Ann. New York Acad. Sci., 1961, V. 94, p. 547. Woody CD., Sxcaitz B.E., Gruen E. Effects of acetylcholinc and cyclic GMP on input resistance of cortical neurons in awake cats. Brain Res., 1978, V. 158, p. 373. Worchel P., Narciso J.C. The nature of memory decrement following ECS. J. Сотр. Physiol. Psychol., 1950, V. 43, p. 325.

Азарашвили А.А. Исследование механизмов памяти с помощью физиологически активных соединений. М., 1981.

Александров Ю.И, Еременко Т.Н. Действие этанола на электрическую активность изолированных нейронов виноградной улитки // Ж. ВИД., 1991, т. 41. с. 423. Александров 10.VI., Еринченко Ю.В., Лаукка С, Ярвилехто Т., Мац В.II. Влияние острого введения этанола на активность нейронов моторной области коры кролика в пищедобы-вательном поведении // Ж. ВИД, 1991, т. 41, с. 806.

Анохин К.В. Молекулярные сценарии консолидации долговременной памяти // Ж. ВИД, 1997, т. 47, с. 261.

Адаме X. ПО Азарашвили А.А. 321 Азеринский Е. 176 Александров Ю.И. 319 АлпернХ. ПО Альвинг Б. 42, 44 Анохин К.В. 152 Анохин П.К. 79 Аракелов Г. Г. 72 Араки Т. 21 Арванитаки А. 36, 44 Аристотель 97, 256 Аррениус С. 15 Архилох 162 Аршавский B.C. 182 Ашапкин В.В. 132, 133, 151

Балабан П.М. 83 Барлоу X. 304 Бахтиарн А. 110 Беленков Н.Ю. 145 Бергер Г. 169 БерлуччиДж.301,302 Бернал К. 24 БлекМ. 119 Блекмор К. 304 Блэсдел Г, 251 Блисс Т. 94 Блондель Ш. 202 Блум Ф. 325 Браун X. 110 Брейди Дж. 118

Литература

Анохин П.К. Биология и нейрофизиология условного рефлекса. М., 1968. Анохин П.K. Системный анализ иитсгратпвпой деятельности нейрона // Успехи фи-зиол. паук, 1974, т. 5, с. 5.

Ашапкин В.В., Тушмалова ПА. Синтез ДНК в мозге крыс при формировании условно-рефлекторной памяти. Нейрохимические механизмы регуляции памяти. Пущино, 1984, с. 24. Беленков 11.10. Принцип целостности в деятельности мозга. М., 1980. Воронин Л.Л. Нейрофизиологические механизмы следовых явлений // Успехи физиол. наук., 1970, т. 1, с. 111. Грей У. Живой мозг. М., 1966.

Греченко Т.Н. Нейрофизиологические исследования памяти. М., 1979. Гриикевич Л.Н. Метаболизм белков в формировании оборонительного рефлекса моллюсков//Ж. ВИД, 1992, т. 42, с. 1221.

Данилова Н.Н. Психофизиологическая диагностика функциональных состояний. М., 1992.

КенделЭ. Клеточные основы поведения. М., 1980.

Копытова Ф.В., Рабинович М.Я. «Сцепление» следов поляризации со следами звуковых стимулов на уровне нейронов двигательной зоны коры // Ж. ВИД, 1970, т. 20, с. 153. Костюк П.Г., Дорошенко П.А., Мартынюк А.Е. Исследование метаболической зависимости активности кальциевых каналов соматической мембраны нервной клетки // Биологические мембраны, 1984, т. 1, с. 18.

Котляр Б.И., Овчареико Ю.С. Интегратпвные свойства мпкропопуляции корковых нейронов //Ж. ВИД, 1980, т. 30, с. 169. ЛешлиК.С. Мозги интеллект. М., 1933.

Максимова О.А., Балабан ИМ. Нейронные механизмы пластичности поведения. М., 1983.

Мордвинов Е.Ф. Элсктрофизиологический анализ отсроченного поведения. Д., 1982. Павлов И.Л. Лекции о работе больших полушарий мозга. М., 1952. Рабинович М.Я. Замыкателыгая функция мозга. М., 1975.

Раштон У. Периферическое кодирование в нервной системе. Сб. Теория связей в нервной системе. М., 1964, с. 53.

Ротенберг B.C., Аршавский B.C. Поисковая активность и адаптация. М., 1984. Русинова Е.В. Роль интервалов между «условными» и «безусловными» стимулами при выработке клеточного аналога временной связи // Ж. ВИД, 1978, т. 28, с. 735. Ошанин P.M., Шумская И.А., Томсонс В.П. Вероятная роль обратной транскрипции в нейронной памяти//Докл. АН СССР, 1981, т. 256, с. 1269. Сахаров ДА. Долгий путь улитки //Ж. ВИД, 1992, т. 42, с. 1059. Соколов ЕЛ. Механизмы памяти. МГУ, 1969.

Соколов ЕЛ, Аракелов ГГ., ПакулаА. Адаптация пейсмскерного нейрона висцерального ганглия прудовика к введенному в него микроэлектроду. Сб. Системная организация физиологических функций. М., 1969, с. 65.

Соколов ЕЛ., Дулеико В.П. Нейронные ответы виноградной улитки па тактильное раздражение //Ж.ВНД, 1968, т. 18, с. 113.

Степанов И.И., Лохов МЛ. Специфичность облегчения выработки условного рефлекса у виноградной улитки гемолимфой обученного животного //Докл. АН СССР, 1985, т. 282, с. 465.

Ун?ар Г. Проблема молекулярного кода памяти // Физиология человека. 1977, т. 3, с. 808. Хлудова Л.К., Греченко Т.Н. Проблемы иейроэколопш: действие солей тяжелых металлов. Вестник МГУ, сер. 14, 1994, 1, с. 28.

Нитоловский Л.Е., Краевский А.А. Возможная зависимость обучения от иематричпого синтеза РНК в нейронах//Ж. ВИД, 1982, т. 32, с. 284. Штарк М.Б. Иммунонсйрофизиологня. Л., 1978. ЭкклзДж. Физиология синапсов. М., 1965.

ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ

Бремер Ф. 183 Буреш И. 109,139 БурешоваО. 109, 139

Везалий А. 97 Визел Т. 192,242,258,274 Воронин Л.Л. 139 ВорхельЛ. 117 ВудиС. 142

Гален 98, 208 Гальвани Л. 10, 18 Гартли Д. 98 Гельмгольц Г. 257 Геринг Э. 258, 265 Гершенфельд X. 28, 30, 45 Гиббс М. 98 Гиппократ 97 ГляссерР. 118 Гоббс Т. 98 ГолдП. 113, 134 Гольджи К. 11, 235 Греченко Т.Н. 110,333 Гринкевич Л.Н. 156 ГринченкоЮ.В.319 Гумбольдт А. 18

Дальтон Дж. 261 ДаниловаН.Н. 172 Де Валуа Р. 258, 264 Дейл Г. 24 Декарт Р. 98

1. РЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня
2. это мировоззрение т
3. Задание ’ 1. Диалог ’ 1.html
4. Сестринский уход при ротавирусной инфекции
5. ТЕМА- Робота в текстовому редакторі Word
6. Наряду с политическими партиями общественные организации и движения решают в определенной степени и задачу
7. ЛЭТИ;. M. Кушнир кандидат психологических наук.html
8. Полуостров Юкатан
9. покладистой. Граф женится на ней
10. Тема 1 Региональное управление 4 часа 1
11. локомотив российской экономики Аркадий ВОЛЬСКИЙ президент Российского союза промышленников и предприни
12. Проектирование пожарного депо с детальной проработкой постов технического обслуживания
13. ЗАЗЕРКАЛЬЕ будет заниматься производством зеркал
14. цептивных ощущений
15. Рассмотрите случай когда частица тело одновременно участвует в нескольких независимых движениях вдоль к
16. Тема уроку-Проведення реєстрації осіб які виявили бажання пройти зовнішнє незалежне оцінювання в 2012 році
17. на тему- Как руководить людьми вызывая уважение и доверие
18. вариант Задания 12 выполняются с использованием приведенного ниже графика
19. і У США та Канаді на нього припадає понад 40 загального збору премій в Європі приблизно 60; в Азії понад 70 У
20. 70 з-о 09 января ~ 29 января Время Предмет Преподав

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе