Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
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 состояни ях, 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
© «Гарддрики», 1999 ©Греченко'1 Н.1999
В оформлении переплета использован фрагмент картины Джузеппе Арчимболъдо «Вертурм» (конец XVI в.)
Предисловие 7
Глава I. Нейрофизиология. Клеточные основы обучения 10
Глава П. Психофизиология памяти 96
Глава III. Ритмы. Функциональные состояния 160
Глава IV. Психофизиология зрительного восприятия 191
Нейробиология цветового зрения 255
Два глаза 268
Стереоскопическое зрение 294
10. Карты коры 308
Глава V. Психофизиология алкоголизма и наркомании 313
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 — опреде ленная роль принадлежит анализу механизмов изучаемых явлений. К биологическим наукам психологи обращаются всегда, когда пыта ются понять причины обнаруженного феномена. Такое взаимодейст вие психологического содержания проблемы и ее биологического ос нования 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 вызва ла 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 изу чению пластичности нервных клеток и роли в этом потенциалов дей ствия.) Теоретическое и экспериментальное развитие этой генераль ной идеи было мощным катализатором исследований в области пси хологии, нейрофизиологии, гистологии, биохимии и биофизики. Ис тория 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 совре менной психологии простирается от поведенческого уровня до про-
Предисловие
II редисловис
цессов, происходящих в отдельной клетке, а объектами опытов стано вятся сообщества и человека, и животных, и молекулы веществ.
Такие ветви науки, как нейропсихология, патопсихология и психо физиология, изначально немыслимы без разработанной биологичес кой базы. Следовательно, биологический контекст всегда возникает при попытках психологов понять основы феномена. Постоянное вза имодействие с биологическими науками приводит к появлению ново го 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 результа ты биологических экспериментов как важнейшую составляющую ана лиза и обсуждения. Одним из направлений, возникших в результате глубинного взаимодействия биологии и психологии, является психо физиология. Что такое психофизиология? Является ли она новым на правлением 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 меха низмов, это размышления о психическом через биологию.
В современной науке накопление фактического материала идет чрезвычайно быстро, особенно в областях, зависящих от уровня раз вития техники. Углубление психологических исследований прямо связано с качеством технического обеспечения экспериментов. Улуч шение 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 выпол нить 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 об ласти 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 механиз ма действия этанола (алкоголя) на активность нервных клеток. Дан-
ные были получены благодаря биофизическим исследованиям работы ионных каналов кальциевой проницаемости, это, в свою очередь, при вело к открытию избирательного действия этанола на определенные нейроны и целые нейронные системы, что исключительно важно для биологической идентификации психических явлений, грубо искажаю щихся при алкоголизме.
«Вводный курс» написан для студентов психологического коллед жа, которые уже имеют опыт обучения в высших учебных заведениях. По этой причине материал, изложенный в этой книге, охватывает не сколько 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 ос новными 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. Пред лагаемый 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, необ ходимы для понимания предмета. Он как бы выполняет роль летопис ца определенной эпохи в развитии конкретного направления науки, сообщая в доступной для студентов форме о работах, проведенных в различных лабораториях, пытаясь провести границу между извест ным и неизвестным и отмечая еще нерешенные проблемы. Материала, связанного с рассматриваемыми вопросами, так много, что его необхо димо представлять в сжатом виде. Чтобы обсуждать определенные проблемы, студенты должны овладеть терминологией, принятой в психологии и биологии. Частично задача такого знакомства с терми нами и их конкретным содержанием решается при помощи термино логического словаря, который приведен в этом учебном пособии.
1 Нейрон Ею строение и функции
11
Глава I. Нейрофизиология. Клеточные основы обучения
Адаптироваться к разнообразным условиям жизни могут все жи вотные, но только те, у кого есть сложный мозг, способны быстро за поминать новое, правильно извлекать знания из прошлого опыта, ре шать более сложные задачи и изобретать орудия, чтобы с их помощью изменять по своем}' желанию условия окружающей среды. Результа ты исследований говорят о том, что лишь незначительная часть нейро нов головного мозга используется человеком в течение всей его жизни. Между тем мы постоянно сталкиваемся с необходимостью бы стрее усваивать новые знания, лучше запоминать, безошибочно вос производить и реализовывать прежде усвоенное. Как научиться уп равлять теми возможностями, которые подарены нам эволюцией и за прятаны в нашем мозге? Произвольная регуляция памяти, воспри ятия, функциональных состояний — всего, что составляет мир психического, возможны только через познание механизмов деятель ности мозга.
1. Нейрон. Его строение и функции
Нейробиология — общее название отрасли науки, занимающейся изучением нервной системы и ее главного органа — мозга. Она вклю чает анализ явления на многих уровнях, начиная с молекулярного и кончая поведенческим. С открытием итальянским ученым Л. Гальва-ни «животного электричества» (лягушка, дергающая лапками, к кото рым 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 превы шает 1014—1015 Открытые более ста пятидесяти лет назад в морфоло гических исследованиях А. Дютроше, К. Эренберга и Я. Пуркинье, нервные клетки не перестают привлекать к себе внимание исследова телей. Как независимые элементы нервной системы они были откры ты 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 боль ших участков головного и спинного мозга. В результате была показа на не только чрезвычайная сложность, но и высокая степень упорядо ченности нервной системы. С тех пор появились новые методы ис следования 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 физио логических реакций, лежащих в основе способности живых организ мов к дифференцированному реагированию на изменения внешней среды. К функциям нервной клетки относится передача информации об этих изменениях внутри организма и ее запоминание на длитель ные сроки, создание образа внешнего мира и организация поведения наиболее целесообразным способом, обеспечивающим живому суще ству 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 коли чества различают клетки монополярные и мультиполярные. Монопо лярные клетки имеют только один отросток — аксон, по которому воз буждение распространяется от клетки. Согласно классическим пред ставлениям, у нейронов один аксон, однако последние электрофизио логические исследования с использованием красителей, которые могут распространяться от тела клетки и прокрашивать отростки, по казывают, 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
12
Глава 1 Псирофизиолотя Клеточные основы обучения
1 Нейрон Гло сiроение и функции
13
аксона — это самая возбудимая часть нейрона. Мультиполярные (би полярные) клетки имеют не только аксоны, но и дендриты, по кото рым сигналы от других клеток поступают в нейрон. Дендриты в зави симости 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. Оказывает ся, униполярные нейроны могут быть определенным этапом в разви тии 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. По дробное исследование онтогенеза и филогенеза нервных клеток убе дительно показало, что униполярное строение клетки является вто ричным явлением и что во время эмбрионального развития можно шаг за шагом проследить постепенное превращение биполярных форм нервных клеток в униполярные. Рассматривать биполярный или уни полярный тип строения нервной клетки как признак сложности стро ения 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 ос новой 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 энер гии, который может включить процесс электрического возбужде ния, — энергию электрического тока. У рецепторных нервных кле ток таким вспомогательным механизмом являются особые сенсор ные структуры — мембраны, позволяющие изменять ее ионную проводимость при действии тех или иных внешних факторов (меха нических, химических, световых). У большинства других нервных клеток — это хемочувствительные структуры тех участков поверх ностной мембраны, к которым прилежат окончания отростков дру гих 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 основ ной механизм электрической возбудимости. Назначение второго вспомогательного механизма — преобразование нервного импульса в процесс, который позволяет использовать принесенную этим сиг налом информацию для запуска определенных форм клеточной ак тивности.
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 изо лированных нервных клеток. Нейроны чаще всего имеют неправиль ную форму. Есть нейроны, напоминающие «листик», «цветок». Иног да поверхность клеток напоминает мозг — она имеет «борозды» и «из вилины». Исчерченность мембраны нейронов увеличивает ее поверх ность 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 клет ки — например, нейроэндокринные клетки имеют белый цвет. Жел тый, оранжевый, а иногда и коричневый цвет нейронов объясняется пигментами, которые содержатся в этих клетках. Размещение пигмен тов в клетке неравномерно, поэтому ее окраска различна по поверх ности — наиболее окрашенные участки часто сосредоточены вблизи аксонного холмика. По-видимому, существует определенная взаимо-
14
1лава1 Нейрофизиология Клсючные основы обучения
2 Олекгрич(екая «нбудпмосль нершюи клетки
15
связь между функцией клетки, ее цветом и ее формой. Наиболее инте ресные данные об этом получены в результате исследований нервных клеток моллюсков.
В современной нейрофизиологии моллюски занимают особое место. Почему же моллюски стали популярным объектом нейрофи зиологических исследований? Они имеют очень крупные нейро ны — 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 специ альные камеры с подогревом, оптимальные условия для исследова ния — комнатная температура, а нормальная работа нейронов обес печивается кислородом, растворенным в физиологическом раство ре. Кроме того, есть еще одно замечательное преимущество — воз можность идентифицировать клетки. Это означает, что некоторые нейроны могут узнаваться не только по особенностям электричес кой активности, но и визуально, по их местоположению, окраске, размерам. Идентифицированную клетку можно изучать как в раз нообразных условиях, так и в одинаковых, можно проанализиро вать, какие именно характеристики электрической активности ус тойчивы, 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 (ви ноградная 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 об ласти нейробиологии. Природа рецепторных свойств чувствительных нервных окончаний, механизмы межнейронной синаптической пере дачи нервных влияний, механизмы появления и распространения нервного импульса по нервной клетке и ее отросткам, природа сопря жения возбудительного и сократительного или секреторного процес сов, механизмы сохранения следов в нервных клетках — все это кар динальные проблемы, в решении которых за последние десятилетия достигнуты большие успехи благодаря широкому внедрению новей ших методов структурного, электрофизиологического и биохимичес кого анализов
/ I
2. Электрическая возбудимость нервной клетки
У истоков современных представлений о механизмах возникнове ния электрических потенциалов в живых тканях стоит теория электролитической диссоциации С. Аррениуса и разработанное на ее основе учение о гальваническом элементе. Было выдвинуто предполо жение о том, что при возбуждении или повреждении клеток биологи ческие явления связаны с возникновением диффузионных потенциа лов. 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 концент раций электролитов могут возникать значительно большие разности потенциалов, чем это имеет место при свободной диффузии ионов
2.1. Потенциал покоя
Потенциал покоя — стационарная разность потенциалов покоя щейся клетки между внутренним ее содержимым и наружным раство ром. Первые косвенные данные о существовании такой разности по тенциалов были получены в середине прошлого столетия исследова телями, зарегистрировавшими электрический ток между поврежден ным 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 осу ществить на гигантских растительных клетках водоросли Nitella с по мощью 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 вво дить в него длинный аксиальный электрод и непосредственно изме рять разность потенциалов. Позднее была разработана техника стек лянных микроэлектродов, пригодных для отведения потенциалов и от клеток малого диаметра — скелетных мышечных волокон, и волокон миокарда, и различных нейронов
16
Г.land I 11сирофи мюлей ия Клеточные основы обучения
2 Электрическая возбудимость першюи клетки
17
Состояние ионов в протоплазме. Для мембранной теории биопо тенциалов исключительно важное значение имело установление того факта, что большая часть ионов К в протоплазме находится в свобод ном состоянии, т.е. что протоплазма представляет собой свободный раствор этих ионов. При использовании К42 показано, что в гигант ском аксоне кальмара не менее 90% внутриклеточного калия свободно диффундирует и перемещается в протоплазме под действием электри ческих сил, так же как и во внешнем растворе. Несколько иной ре зультат дали измерения внутриклеточной активности ионов Na. Пос ледние были измерены с помощью натрий-чувствительных электро дов на целом ряде объектов — скелетных мышцах, гигантском аксоне кальмара, гигантских мышечных волокнах балануса, гигантских ней ронах моллюсков. У всех этих клеток коэффициенты активности ионов Na в протоплазме были примерно в два раза ниже, чем во вне клеточном 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 внутрикле точных включениях (компартментализована).
В отличие от Na и К, Са в протоплазме клеток (волокон) почти целиком находится в связанном состоянии. Так, в аксоплазме гигант ского 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. Ос тальной кальций находится во внутриклеточных органеллах, по-види мому, 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 внутриклеточ ной регистрации на нейронах высокоорганизованных позвоночных животных. Интересные результаты о первых минутах введения мик роэлектродов внутрь клетки сообщают в своих работах Е.Н. Соколов и другие ученые (1969). В течение 10—30 мин возможно развитие про цесса адаптации нейрона к введенному в него микроэлектроду. В тече ние этого времени происходит стабилизация уровня мембранного по тенциала. Сначала, сразу после введения микроэлектрода, клетка имеет несколько повышенный (деполяризованный) уровень мембран ного потенциала. Это происходит по причине возможного физическо го повреждения мембраны микроэлектродом. Однако постепенно ней рон адаптируется к введенному в него инородному телу и уровень мембранного потенциала (МП) стабилизируется. МП может оставать-
ся стабильным в течение весьма долгого времени эксперимента — на пример, на полностью изолированных нейронах в течение двух суток. Состояние клетки отражается на уровне мембранного потенциала покоя, поэтому исследователям крайне важно контролировать его зна чение. В дальнейшем станет ясно, что в основе выводов о возможнос ти обучения клетки, о развитии определенных форм активности, о яв лениях, связанных с воздействием определенных внешних и внутрен них факторов лежит контроль за уровнем МП.
2.2. Электрическая возбудимость
Отличие легко возбудимых клеток — таких как нервные и мышеч ные — 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 ве личины, обычно до 15 мВ (от -70 до -55), инициируется регенератив ный самоограничивающийся потенциал действия, развивающийся по типу «все-или-ничего». Уровень критической деполяризации мембра ны, при достижении которого происходит генерация потенциала дей ствия, 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 воз можность генерации под влиянием внешнего воздействия особого сигнального процесса — нервного импульса, основными свойствами которого являются незатухающее распространение вдоль клетки, воз можность передачи сигнала в необходимом направлении и воздейст вия с его помощью на другие клетки. Способность к генерации нерв ной клеткой распространяющегося нервного импульса определяется особым молекулярным устройством поверхностной мембраны, позво ляющим воспринимать изменения проходящего через нее электричес кого поля, изменять практически мгновенно свою ионную проводи мость и создавать за счет этого трансмембранный ионный ток, исполь зуя в качестве движущей силы постоянно существующие между вне-и внутриклеточной средой ионные градиенты. Этот комплекс процес сов, или -«механизм электрической возбудимости*, является самой яркой функциональной характеристикой нервной клетки. Возмож ность направленного распространения нервного импульса обеспечи вается наличием у нервной клетки ветвящихся отростков, нередко простирающихся на значительные расстояния от ее сомы и обладаю щих в области своих окончаний механизмом передачи сигнала через межклеточную щель на последующие клетки.
2-1015
Sejw»
18
I лава I Неирофизиоло! ия Клеточные основы обу
2 Электрическая возбудимость нервной клетки
19
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 основ ных 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 электричес кой возбудимостью также сома клетки и ее дендриты, оставался спор ным до сравнительно недавнего времени. Так, некоторые ученые на основании анализа электрических реакций центральной нервной сис темы отрицали наличие электрической возбудимости в соме нервной клетки, считая, что дендриты и сома могут генерировать лишь локаль ные токи, раздражающие начальный участок аксона, в котором впе рвые появляется распространяющийся импульс. Причиной такого по ложения является трудность избирательной регистрации электричес ких реакций сомы и дендритов нервных клеток, которые к тому же в
большинстве случаев расположены в толще нервной ткани и перепле тены с многочисленными отростками других нервных клеток.
Несомненно, что решающим методическим достижением, позво лившим перейти к точному решению вопроса о наличии электричес кой возбудимости в соме и дендритах нервных клеток, было изобрете ние и введение в практику микроэлектродной техники, в особенности техники стеклянных микроэлектродов, обладающих достаточной ме ханической прочностью даже при уменьшении диаметра кончика электрода до десятых долей микрометра, в то же время надежной изо ляцией 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 микроэлект родного отведения, является отведение потенциала действия постоян ной 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 отво димого из клетки потенциала действия оказываются одинаковыми, что свидетельствует о включении в действие одного и того же мем бранного механизма.
Представлены примеры внутриклеточного отведения такого потен циала действия из двигательного нейрона спинного мозга при анти дромном его возбуждении путем электрического раздражения аксона (антидромное — распространяющееся по аксону к соме, ортодромное — от сомы по аксону). Рассмотрение восходящей части пика ясно пока зывает наличие на нем перегиба, свидетельствующего о некоторой за держке в развитии деполяризации клеточной мембраны при подходе к клетке антидромного импульса. При увеличении частоты стимуляции аксона можно вызвать частичный потенциал действия в области пере гиба, после чего сохраняется лишь значительно более быстрый редуци рованный 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 нали чие 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
20
Глава I. Нейрофизиология Клеточные основы обу
2 Электрическая возбудимость нервной клетки
21
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 дейст вия в области этого перегиба, выявив наличие начального быстрого редуцированного по амплитуде пика. Эти данные указывают на суще ственные 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 мем бране и лишь затем включается механизм электрической возбудимос ти соматической мембраны.
Особенно удобными объектами оказались униполярные нейроны беспозвоночных животных, благодаря легкости экспериментального доступа к ним и их большим размерам. Многочисленные исследова ния, 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 нейро нов 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 поки дают сетчатку и образуют зрительный нерв. Направленный в сторону рецепторов отросток биполярной клетки можно рассматривать как дендрит, а направленный в сторону ганглиозных клеток — как коро тенький аксон. Биполярные клетки отличаются очень большими раз мерами (расстояние между разветвлениями их отростков менее 100 мкм), и поэтому в них возможно распространение электрических токов, возникающих в постсинаптических участках дендритного от ростка, 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) мор фологически описаны и в некоторых отделах центральной нервной системы. Однако Достоверное внутриклеточное отведение из таких клеток затруднено в связи со сложностью их идентификации в мозго вой ткани. Возможно, что в некоторых из них механизм электричес кой возбудимости также неразвит. Отсутствие или слабая выражен ность механизма электрической возбудимости отмечена и в некото рых клетках, сома которых имеет очень большие размеры (клетки сер дечного ганглия омара, маутнеровские клетки мозга рыбок).
Параллельно с решением вопроса об электровозбудимости мем браны сомы нервной клетки были предприняты попытки рассмотреть вопрос об электрической возбудимости дендритов. Ответ на этот во прос не может быть таким же однозначным, как ответ на вопрос об электрической возбудимости сомы. Дендритные отростки нервных клеток различного типа чрезвычайно отличаются по своей структур ной организации, и у большинства чувствительных нейронов они часто неотличимы и по структуре, и по функции от аксонов. Способ ность 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 во прос о наличии механизма электрической возбудимости в концевых разветвлениях дендритов, т. е. там, где расположены наиболее важные в функциональном отношении структуры их мембраны, обусловли вающие способность воспринимать действие внешних раздражений или медиаторных химических веществ. Однако получение убедитель ного ответа на этот вопрос встретило большие трудности. Надежное введение микроэлектрода в такие разветвления проблематично, хотя попытки предпринимались. С. Терцуоло и Т. Араки (1961) использо вали 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 осущест вить отведение при помощи этих двух микроэлектродов в ответ на антидромное возбуждение хорошо синхронизированных максималь-
22
Глава I I [сйрофизиоло! ия Клеточные основы обучс
Ч Синапсы
23
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 мед ленно. Эту регистрацию можно рассматривать как удачное попадание кончика второго микроэлектрода в дендритную ветвь того же двига тельного нейрона, а также как указание на то, что антидромный потен циал действия может распространяться в такую ветвь из сомы и что дендритная мембрана, следовательно, обладает механизмом электри ческой возбудимости.
С развитием экспериментальной техники был предпринят ряд по пыток более убедительного введения микроэлектрода в дендриты ней ронов центральной нервной системы. Для этого использовались клет ки с особенно мощным дендритным деревом (например, нейроны Пуркинье мозжечка) и экспериментальные условия, в которых поло жение 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 дей ствия не только при антидромном, но и при синаптическом возбужде нии клетки. Следовательно, по крайней мере в таких нейронах денд ритная мембрана действительно обладает настолько хорошо развитым механизмом электрической возбудимости, что он может быть приве ден в действие не только мощной деполяризацией мембраны, вызы ваемой приближающимся из сомы клетки антидромным нервным им пульсом, но и более слабыми электрическими влияниями со стороны постсинаптических участков клеточной мембраны.
Однако прямые микроэлектродные отведения из дендритных вет вей 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 простира ется в их тонких разветвлениях, так и остался открытым.
Установление факта электрической возбудимости сомы и дендри тов нервной клетки поставило перед исследователями вопрос о том, какова же функциональная роль такой возбудимости. Уже из приве денных выше примеров видно, что эта роль не может быть сведена к передаче сигнала — нервного импульса. Как было показано на приме ре 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 слу чае может быть обеспечена за счет механизма электрической возбуди мости начальной части аксона и наличие такой возбудимости у сома тической мембраны не является абсолютно необходимым с точки зре ния 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 трофи ческой поддержки сомы).
Дальнейшие исследования позволили обнаружить в нервной клет ке такие функциональные особенности, которые показали, что роль электрической возбудимости соматической мембраны действительно следует рассматривать в более широком плане. Один из существен ных результатов связан с открытием в соме многих нервных клеток периодических изменений мембранного потенциала, не связанных не посредственно с поступлением к ней синаптических влияний.
3. Синапсы
Еще десятилетие назад исследования синаптической передачи и коммуникации между нейронами воспринимались многими биолога ми как побочное направление биологии. Однако преимущества более мощного биофизического и клеточно-биологического подхода к ана лизу нейронных функций, возможность идентификации и клонирова ния генов, существенных для сигнализации, вскрыли тесную и, пожа луй, непредвиденную связь между принципами, которые лежат в ос нове синаптической передачи и взаимодействиями клеток других типов. В результате этого возник новый более общий взгляд на меж клеточные 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 функционирова ние мозга в целом? На протяжении десятилетий споры вызывал во прос о способе передачи возбуждения между нейронами: осуществля ется 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-
24
I лава) Нейрофизиология Клеточные основы обуч<
риферийных органов — результат воздействия химических сигналов, возникающих в нервах. Эксперименты, о которых сообщили англий ский фармаколог Г. Дейл и австрийский биолог О. Леви, были при знаны решающими подтверждениями гипотезы о химической пере даче.
Очевидно, что усложнение нервной системы развивается по пути установления связей между клетками и усложнения самих соедине ний. 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. Од нако за пятьдесят лет до этого француз К. Бернар обнаружил, что кон такты, которые формируют нейроны с клетками-мишенями, специа лизированы, и, как следствие, природа сигналов, распространяющих ся между нейронами и клетками-мишенями, каким-то образом изме няется 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 коммуника ции между нейронами и процессами передачи синаптической инфор мации. Сложные формы синаптических связей, формирующихся по мере развития мозга, составляют основу всех функций нервных кле ток — от сенсорной перцепции до обучения и памяти. Более того, де фекты синаптической передачи лежат в основе многих заболеваний нервной системы.
Синаптическая передача через большую часть синапсов мозга опосредуется при взаимодействии химических сигналов, поступаю щих из пресинаптической терминали, с постсинаптическими рецеп торами. На протяжении более чем ста лет изучения синапса все данные рассматривались с точки зрения концепции динамической поляризации. В соответствии с общепринятой точкой зрения си напс передает информацию только в одном направлении: информа ция течет от пресинаптической к постсинаптической клетке, анте-
1 Отгреч synapsis — соединение, застегивание
25
Синапсы
роградно направленная передача информации обеспечивает финаль ный 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, ко торые опосредуют ретроградную передачу информации. Это целый ряд веществ от подвижных маленьких молекул окиси азота до боль ших полипептидов, таких как фактор роста нерва. Даже если сигналы, которые передают информацию ретроградно, различны по их молеку лярной природе, принципы, на основе которых эти молекулы действу ют, могут быть сходными. Реципрокность передачи происходит в электрическом синапсе, в котором щель в соединительном канале формирует физическую связь между двумя нейронами. Это позво ляет 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 оказать ся значительно больше, чем это кажется сейчас.
3.1. Синаптические потенциалы
При возбуждении или торможении клеток внешняя мембрана ней ронов чувствительна к действию специальных веществ, которые выде ляются из пресинаптической терминали, к нейромедиаторам. В на стоящее время известно несколько десятков нейромедиаторов непеп тидной природы и сотни медиаторов пептидной природы, которые вы полняют функцию передачи электрического сигнала от нейрона к нейрону. На внешней стороне мембраны расположены специализиро ванные белковые молекулы — рецепторы, которые и взаимодействуют с нейромедиатором. В результате происходит открытие каналов спе цифической ионной проницаемости — только определенные ионы могут массированно проходить в клетку после действия медиатора. Развивается локальная деполяризация или гиперполяризация мем браны, которая называется постсинаптическим потенциалом (ПСП). ПСП могут быть возбудительными (ВПСП) и тормозными (ТПСП) (рис. 3). Амплитуда ПСП может достигать 20 мВ. Градуальный харак тер ВПСП резко отличает его от максимального потенциала действия, развивающегося в случае достижения постсинаптической деполяриза цией определенного порогового уровня.
I
26
Глава I Нейрофизиология Клеточные основы обучения
3 Синапсы
27
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 положитель ных электрических импульсов тока для микроионофореза медиаторов. Калибровка:
ЮмВ, 1 с.
Возбудительные синаптические потенциалы редуцируют (деполя ризуют) 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 (гипер поляризуют) 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 генерирован ный потенциал действия распространяется без затухания по аксону к своему выходному элементу, пресинаптической терминали. Нейро-трансмиттер диффундирует через синаптическую щель, которая раз деляет пресинаптическую терминаль и постсинаптическую мишень и взаимодействует с рецепторами, которые расположены на дендритах или соме (теле) постсинаптического нейрона. Свойства индивидуаль ных синапсов, в особенности свойства постсинаптических рецепторов, определяют, приведет связывание нейротрансмиттера к тормозному или возбудительному синаптическому потенциалу.
Современное понимание нейронной сигнализации широко пользу ется ионной гипотезой, сформулированной в 1949 г. А. Ходжкиным, А. Хаксли и Б. Кацем для того, чтобы объяснить, как возникает раз ность электрического потенциала (потенциал покоя) и как знак этой разности быстро редуцируется и затем реверсирует во время генера ции потенциала действия. В соответствии с ионной гипотезой сиг-
нальные способности клетки восходят к двум известным видам специ ализированных мембранных белков — каналам и насосам — которые позволяют ионам проходить сквозь мембрану. Насосы активно транс портируют специфические ионы против электрохимического градиен та и поэтому требуют метаболической энергии.
Каналы — это протеиновые поры в липидном бислое, которые по зволяют специфическим ионам быстро передвигаться по электрохи мическому 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. Не которые из этих каналов только отчасти вольт-зависимы и открыва ются 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 кана лы распознают химические передатчики и открываются, когда с ними связывается специфический нейротрансмиттер. Это приводит к раз витию 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 формиро вания 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, высво бождаемых из пре- и постсинаптической клетки. Первичная функция протеинов состоит в том, чтобы индуцировать биохимические компо ненты, требуемые для высвобождения передатчика из пресинаптичес кой 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 на личием разных медиаторов, но и тем, что один медиатор способен вы зывать разные постсинаптические эффекты. В этом отношении осо бенно детально изучены центральные нейроны гастропод. Исследова тели обнаружили, что медиатор ацетилхолин (АХ) в ганглии моллюс-
28
Глава I 11сйроф|пиоло1ня Клеточные основы обучения
Синапсы
29
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 приво дит к увеличению проницаемости мембраны для ионов натрия, дру гой — 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 име ется многорецепторная система для каждого из изучавшихся медиато ров. 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 меха низмам, кроме того, для трех из пяти рецепторов серотонина найдены фармакологические антагонисты.
Наличие Таких многорецепторных систем открывает новые воз можности для синаптической передачи. Благодаря сосуществованию разных типов рецепторов на одном и том же постсинаптическом ней роне 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, со здает 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 медиа тора в одной и той же нервной системе дает возможность исследовате лю 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 измене ниям ионной проницаемости. Л. Тауц и X. Гершенфельд первыми обна ружили следующее- когда некоторые клетки ганглиев аплизии деполяри зуются и возбуждаются АХ, другие гиперполяризуются и прекращают спайковую активность Дальнейший анализ тормозного действия АХ по казал, 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 компо нент — все еще гиперполяризационный. При -80 мВ быстрый элемент инвертирован, а медленный достиг потенциала инверсии; он обнару живается в виде деполяризации лишь при -100 мВ. Разные потенциа лы инверсии двух компонентов ответа дали основание предполагать, что они обусловлены разными изменениями проницаемости мембра ны — и эта гипотеза оказалась верной. Было показано, что быстрый элемент (с потенциалом реверсии -60 мВ) обусловлен избиратель ным увеличением проницаемости мембраны для ионов хлора, равно весный электрохимический потенциал которой равен -60 мВ. Более медленный компонент ответа обусловлен увеличением проницаемос ти 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 исче зал; это дает основание полагать, что в возникновении этого потенциа ла участвуют главным образом, а может быть, и исключительно, ионы натрия. Поскольку измерение активности внутриклеточного натрия натрийселективными стеклянными электродами показало, что натри евый равновесный потенциал очень высок в клетках моллюсков (рас четы приводят к такой большой величине, как -90 мВ), неудивитель но, 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 медиаль ной, так и передней группы, могут быть получены три гомологичных типа ответов. Активация пресинаптического холинергического нейро на вызывает в медиальных клетках двухфазный синаптический потен циал, состоящий из быстрого ТПСП, на который накладывается бояее продолжительный медленный ТПСП. Два элемента этого синаптпчес-' кого ответа, подобно двум фазам ответа на ионофоретическое подве дение АХ, обусловлены соответственно избирательным увеличением
30
Глава I Нейрофизиология Клеточные основы обучения
3 Синапсы
31
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 груп пы. Эти ВПСП, как и деполяризация, возникающая при ионофоре-тическом подведении АХ, могут порождать спайковые разряды ней ронов 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 возникнове нию ПД.
Фармакологическое дифференцирование трех типов холиноре-цепторов (ХР), определяющих Na, Cl и К-зависимые ответы. Пер вое указание на то, что три типа холинергических реакций обуслов лены 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 влия нием С-6 блокируется только Na-зависимый ответ. К-зависимую ре акцию 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 не большое 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 противо положность этому в присутствии d-TK остается только медленный ТПСП, а-бунгаротоксин, с другой стороны, избирательно блокирует Cl-зависимый ответ. Наконец, метилксилохолин не оказывает влия ния ни на ВПСП, ни на быстрый ТПСП (в ограниченных концентра циях), но полностью блокирует медленный ТПСП. Результаты, сход ные 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 эф фекты, что проявляется в уменьшении всех реакций. Результаты, по лученные с d-TK, могут быть получены при использовании и других специфических веществ в близких концентрациях.
Избирательная активация трех типов ответов с помощью раз ных 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 фенилтриметиламмо ний, которые способны различать два d-TK-чувствительных рецепто ра: они избирательно имитируют Cl-зависимый ответ, не вызывая Na-зависимой реакции. На нейронах наземной улитки сходным избира тельным холиномиметическим действием обладает пиперидин. К-за висимый 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 при сутствии мускарина в омывающей среде, активирует избирательно ре цептор, приводящий к увеличению проницаемости для К, вызывая таким образом гиперполяризацию медиальной клетки, исходный по тенциал 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, экстрагирован ного 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, вызываю щие те же самые изменения ионной проводимости, какие были описа ны для нейронов аплизии.
Изменение рецепторов, чувствительных к серотонину. Не раз от мечалось, что идентифицируемые нейроны или клеточные группы ха рактеризуются постоянными рецепторными свойствами, которые по-
32
Глава! Нейрофизиология Клеточные основы обучения
3 Синапсы
33
вторяются от препарата к препарату. Но опыты показали, что ответы некоторых нейронов зависят от состояния — например, в ответ на под ведение 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 спо соб перестройки межнейронных отношений в ганглии. Причиной та кого изменения может быть или модификация типа рецептора, или изменение положения равновесного потенциала для серотонина отно сительно Ед (критического уровня деполяризации). Эксперименты подтвердили, что ответы клеток на серотонин меняются при переходе улиток от спячки к активному состоянию. Показано, что при этом из меняется 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 отве чают на серотонин, а для блокирования этих ответов в разных случаях приходится применять разные фармакологические антагонисты. При нято считать, что это антагонисты серотонина, но полученные данные позволяют предложить иное понимание. Если верно, что разные ион ные 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 реализа ции эффекта цАМФ внутри клетки. И действительно, введение цАМФ внутрь клетки вызывает деполяризацию тех нейронов, на ко торых серотонин ведет себя как деполяризующий медиатор, и вызыва ет гиперполяризацию Н-нейронов.
В соответствии с современными данными, постсинаптический ре цептор — это многокомпонентная, сложная система, которая включает следующие элементы: рецептор на поверхности постсинаптической мембраны, внутримембранный механизм, который при взаимодейст вии медиатора с рецептором активирует аденилатциклазу, располо женную на внутренней стороне мембраны, протеинкиназы или другие внутриклеточные белки-рецепторы, с которыми связывается цАМФ, управляемый этими белками механизм изменения ионной проницае мости, расположенный на клеточной мембране.
Различные фармакологические вещества, влияющие на эффект се ротонина, 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 предполо жение, что в роли внутриклеточного посредника действия серотонина
выступает цАМФ. В ганглиях аплизии концентрация цАМФ увели чивается при добавлении серотонина. Так же действует на концентра цию цАМФ электрическое раздражение нервов. Этот эффект блоки руется снижением внеклеточного кальция и повышением магния, т.е. он, очевидно, связан с синаптической передачей, а действие медиато ров 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 наруж ной 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 дейст вие инъецируемой цАМФ на нейронах «внутренней поверхности» подглоточного комплекса. Как описано выше, здесь преобладают воз буждающие эффекты медиатора, а гиперполяризующее действие от мечено 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 на ружную сторону мембраны, но десенситизация никогда не наблюдает ся при внутриклеточном введении цАМФ. Однако сходство в дейст вии 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 мем брана может быть подвержена действию также более сложных хими ческих факторов, выделяемых специальными нейросекреторными клетками. Они вызывают развитие более длительных колебаний мем бранного потенциала клетки, в основе которых также лежат опреде ленные 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 эксперимен тальные данные о том, что такие изменения проводимости поверх ностной мембраны развиваются за счет активации определенных зве ньев внутриклеточных обменных процессов, в том числе аденилат-циклазной активности.
3-1015
34
Глава I Нейрофизиология Клеточные основы обучения
4 Трофическая роль сомы
35
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 открывают ся химически при помощи трансмиттера, а не управляются измене нием 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 специ фическим рецептором, расположенным на внешней поверхности. Связывание АХ на этом рецепторе приводит к открытию класса кана лов, 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 беспозвоноч ных 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 потенциа ла, запускающего генерацию потенциала действия (обычно -55 мВ). Когда передатчик открывает каналы для Na (чей потенциал равнове сия равен +55 мВ), результирующее действие неизменно возбуждаю щее (увеличивается даже калиевый ток и предотвращается достиже ние потенциала равновесия для Na). Это происходит из-за того, что движущая сила Na настолько велика, что, несмотря на противополож но 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 рав новесия между -70 и -60 мВ, результирующее действие — тормоз ное, поэтому оно предотвращает смещение мембранного потенциала к порогу генерации.
Принципы, выведенные на основе исследований периферичес ких 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 исследо ваний 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 переда чи в центральных и периферических синапсах нейробиологи начали соглашаться с тем, что коммуникации во всех синапсах опосредуются химическими сигналами. Однако было доказано, что передача в си напсе гигантского волокна рака является электрической, а вскоре после этого была обнаружена электрическая передача в разных синап сах позвоночных и беспозвоночных. Поэтому теперь нейробиологи со гласны с существованием двух способов передачи в синапсах — элект рического, которое связано с преодолением щели в соединении цито плазмы пре- и постсинаптической клетки, и химического, при котором пре- и постсинаптические клетки не образуют непрерывной структу ры.
4. Трофическая роль сомы
Другая группа результатов связана с развитием исследований трофической роли сомы нервной клетки. Развитие изотопных мето дов измерения скорости транспорта различных соединений из сомы нервной клетки в отростки позволило сделать исходные, чисто ка чественные, представления о трофической функции сомы предме том количественных исследований. Были получены точные данные о скорости такого транспорта, который был разделен на быстрый и медленный компоненты. Первый составляет несколько миллимет ров в час, а второй — несколько миллиметров в сутки. Эти величи ны оказались весьма постоянными даже у различных животных и зависящими в основном от температуры. Однако количество транс портируемых из клетки веществ в большой степени зависит от ак тивности клетки При длительном возбуждении количество транс портируемых веществ существенно увеличивается, что связано с усиленной электрической активностью. Интенсивность транспорта обусловливается процессами, происходящими именно в соме клет ки, а не в отростках, так как сома чувствительна к ионному составу среды у наружной поверхности соматической мембраны и не зави сит от таких изменений возле мембраны аксона. Указанные данные привели к представлению о том, что именно в соме клетки локали зован механизм сопряжения между поверхностной мембраной и внутриклеточными процессами, позволяющий изменять интенсив-
36
Глава I. Нейрофизиология. Клеточные основы обучени
5. Пейсмекерный потенциал
37
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, вы ражающаяся в наличии многочисленных и протяженных отростков. Функциональным назначением этих отростков является, во-пер вых, восприятие внешних воздействий и трансформация их в изме нение проницаемости поверхностной мембраны и соответственно в изменение внутримембранного электрического поля, во-вторых, ге нерация и распространение незатухающего сигнала — потенциала действия, в-третьих, образование и выделение по сигналу медиа-торных химических веществ, оказывающих свое действие на после дующие клетки. Основной клеточный механизм, на котором стро ится эта цепь процессов, — электрическая возбудимость, наличие которой является давно известным свойством аксонных отростков. Вопрос о наличии и функциональном значении электрической воз будимости сомы клетки и ее дендритов является во многих отноше ниях неясным. Между тем точное его решение имеет важнейшее значение для понимания ряда кардинальных проблем функциони рования 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 влия ний, впервые были описаны А. Арванитаки. Эти колебания могут превышать критический уровень потенциала, необходимый для ак тивации механизма электрической возбудимости. Наличие в соме клетки таких волн мембранного потенциала было обнаружено на нейронах моллюсков. Они были расценены как проявление спон танной, или авторитмической активности, имеющей эндогенное происхождение. Аналогичные ритмические колебания во многих других типах нейронов позже также были описаны. Появление ме тодов внутриклеточного анализа электрической активности нерв ных клеток позволило показать, что ритмическая активность ней ронов может быть основана на различных механизмах. Ритмич ность разрядов нейронов многих структур мозга (таламуса, гипота ламуса и т. д.) обусловлена прежде всего поступлением к этому нейрону ритмических синаптических влияний (сетевая основа рит мичности).
Рис. 4 Пейсмекерный потенциал, недостигающий порога генерации потенциала действия
В то же время многие подкорковые структуры и прежде всего ре тикулярная формация содержат нервные клетки, ритмичность разря да которых вызвана не монотонным синаптическим воздействием, а обусловлена существованием специального внутриклеточного меха низма, деятельность которого может приводить к возникновению рит мической спайковой активности (эндогенная основа ритмичности). Этот механизм, названный пейсмекерным, является в достаточной степени универсальным и встречается у нейронов животных различ ных 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 увеличе ния числа нейронов и совершенствования связей в филогенетичес ки новых структурах (новая кора) пейсмекерный механизм пере стает обнаруживаться, а доминирующими в формировании ритми ческой активности нервной клетки становятся экзонейрональные факторы. Можно предположить, что прекращение работы пейсме керного 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 жи вотных не исчезает, а переходит в латентное состояние, что связано с высоким уровнем мембранного потенциала корковых нейронов. В некоторых случаях, например, при патологии мозга, активиро ванный пейсмекерный механизм может существенно изменить ре акцию нейрона. Предположение о возможности существования ла тентного пейсмекерного механизма в нейронах высших животных можно подкрепить следующими данными. Если в обычных услови ях нейроны симпатических ганглиев не обладают фоновой спайко вой ритмикой, то в результате хронической денервации эти нейро ны начинают генерировать ритмические спайковые разряды. Паттерн такой фоновой активности очень схож с активностью этих
38
[ лава I I (еирофизиоло! ия Клеточные основы обучения
же нейронов на ранних стадиях онтогенеза, когда спайки могут возни кать 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 изуче ны на простых нервных системах, обладающих рядом методических преимуществ. Пейсмекерный механизм хорошо представлен в нейро нах ЦНС моллюсков. Что же такое пейсмекерный потенциал? Чем он отличается от других местных потенциалов нервной клетки? Как пейсмекерный потенциал взаимодействует с постсинаптическими по тенциалами?
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 эн догенных потенциалов, связанных с активным транспортом ионов, образует механизм внутреннего генератора нейрона, обеспечиваю щего периодическое достижение порога генерации ПД в отсутствие внешнего источника возбуждения. В самом общем виде нейрон представляется состоящим из электровозбудимой мембраны, хими чески возбудимой мембраны и локуса генерации пейсмекерной ак тивности. Пейсмекерный потенциал, взаимодействующий с хемо-возбудимой и электровозбудимой мембраной, делает нейрон уст ройством со «встроенным» управляемым генератором. Потенциал действия (ПД), возникающий на пейсмекерной волне, называется пейсмекерным потенциалом действия, чтобы отличить его от по тенциалов действия, возникающих при приходе ВПСП (синапти-ческие ПД). Эндогенная внутриклеточная природа пейсмекерных потенциалов подтверждается их сохранением после полной изоля ции нейрона и независимостью их частоты от сетевых эффектов. Такие синусоидальные эндогенные осцилляции мембранного по тенциала лежат в основе ритмической спайковой активности ней ронов 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 из мерить их амплитуду, которая обычно составляет от 5 до 25 мВ (рис 5).
5 Пейсмсксрныи потенциал
39
Рис 5 Виды фоновой активности изолированных клеток улитки Helix pomatia a — мол чащий нейрон Потенциалы действия генерируются в ответ на предъявление внутрикле точного 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 деполя ризации, 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 от клонением от исходного уровня мембранного потенциала (МП) в на правлении гиперполяризации.
В тех случаях, когда пейсмекерный потенциал достигает порога генерации ПД, наблюдается переход деполяризационной волны пейс мекерного потенциала в потенциал действия. Задний фронт пейсме керной волны в этом случае суммируется со следовой гиперполяриза цией потенциала действия. В зависимости от типа пейсмекерного по тенциала наблюдаются регулярные групповые и одиночные ПД. При сравнении разных пейсмекерных потенциалов, лежащих ниже порога генерации с ПД, становится очевидным, что все пейсмекерные потен циалы обладают общими свойствами, отличными от свойств потенци алов действия.
шния
40
Глава I. Нейрофизиология. Клеточные основы обу1
. Псйсмексриый потенциал
41
Зависимость пейсмекерного потенциала от уровня мембранного потенциала. Можно предположить, что пейсмекерные потенциалы образованы чередованием ВПСП и ТПСП. Однако при гиперполяри зации сомы нейрона через внутриклеточный микроэлектрод крутизна возрастания деполяризационной волны и ее амплитуда уменьшаются вплоть до полного подавления колебаний. Для ВПСП при гиперполя ризации следовало бы ожидать увеличения их амплитуды. Кроме того, частота генерации пейсмекерных потенциалов при гиперполяри зации снижается. Известно, что с увеличением уровня гиперполяриза ции ТПСП реверсируют. Пейсмекерные потенциалы реверсии не под вержены. При деполяризации сомы нейрона через внутриклеточный микроэлектрод крутизна нарастания деполяризационной волны пейс мекерного потенциала увеличивается. Частота пейсмекерных потен циалов растет. Амплитуда их становится выше. ВПСП в этих услови ях снижаются по амплитуде, реверсируя при дальнейшей деполяриза ции. ТПСП, хотя и должны при деполяризации увеличиваться по амплитуде, но частота их, как и частота ВПСП, от уровня МП не зави сит.
То, что частота пейсмекерного потенциала возрастает при деполя ризации и уменьшается при гиперполяризации, служит веским аргу ментом в пользу предположения о том, что пейсмекерный потенциал имеет эндогенную природу. ВПСП и ТПСП, частота которых не зави сит от уровня МП, определяются экзогенными факторами. >
По соотношению пейсмекерных и синаптических механизмов ней роны подразделяются на пейсмекерные, синаптические и пейсмекер-но-синаптические. По общей характеристике фоновой ритмики нерв ные клетки моллюсков можно подразделить на фоновоактивные и фо-новонеактивные. Нейроны, обладающие фоновой ритмикой, разделя ются на две большие группы: ритмические и аритмические типы нервных клеток. Среди ритмических нейронов имеется небольшая группа нервных клеток с устойчивой и регулярной фоновой ритми кой, без заметных синаптических влияний. Это так называемые ис тинно 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 аритми ческого типа нейронов характерна нерегулярная спайковая актив ность, обусловленная воздействием на этот нейрон дополнительных синаптических влияний — смешанный пейсмекерно-синаптический тип — или же результатом неритмичности пейсмекерного механиз ма — аритмичный тип пейсмекерных нейронов. Все нейроны, обла-
дающие фоновой пейсмекерной активностью, называются актуальны ми 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 спайко вая активность, обусловленная деятельностью пейсмекерного меха низма. Такие нейроны получили название латентных пейсмекер ных нейронов.
Классификация пейсмекерных нейронов. Пейсмекерный потен циал, являясь потенциал-зависимой формой электрогенного эффекта активного транспорта ионов, отличается от ПСП и ПД, связанных с пассивным движением ионов. Характерной чертой пейсмекерного по тенциала является постепенно ускоряющаяся деполяризация, которая и образует пейсмекерную волну. Эта деполяризация, которая развива ется 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 из менения 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 ак тивности находится под влиянием генетических механизмов. Внеш няя среда может действовать на нейрон не только через синаптичес кие входы, но и непосредственно через изменение внутренней среды улитки в связи с фото- и термочувствительностью пейсмекерного ме ханизма.
Выделение в качестве самостоятельного явления пейсмекерного потенциала приводит к необходимости такой классификации нейро нов, которая учитывает это явление. В разных районах пейсмекерная активность выражена по-разному. Наиболее часто встречается регу лярный 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 пейсме керными волнами. Наконец, есть периодический пейсмекерный по тенциал в виде веретен, разделенных периодами молчания.
В зависимости от соотношения пейсмекерных и ПСП потенциалов различают: синаптические нейроны, пейсмекерные и пейсмекерно-си-наптические.
42
Глава I Нейрофизиология Клеточные осноиы обучения
5 Пейсмекерный потенциал
43
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 зре ния неоднородны. Различают электровозбудимую мембрану, ответ ственную 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 по тенциалов.
Относительно локализации пейсмекерного механизма до сих пор не существует единой точки зрения. Нейрофизиолог Б. Альвинг (1968) провела эксперименты на нейронах моллюска Aplysia, приме нив 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 эндоген ной пейсмекерной активности. Подтверждением существования пейс мекерной активности в соме служит высокая чувствительность часто ты и амплитуды эндогенных потенциалов к незначительным измене ниям 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, меха низм 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 потен циала с некоторой определенной частотой. Такое определение пейсме-
керного локуса предполагает, что параметры пейсмекерного потен циала в дальнейшем, по мере его распространения от места возникно вения, будут определяться электротоническими свойствами мембра ны. По-видимому, пейсмекерная активность не характерна для уда ленных периферических ветвей отростков нейронов, за исключением особых экспериментальных условий.
Небольшое искусственное смещение уровня ПП в некоторых слу чаях не приводило к изменению частоты генерации ПД. Одновремен но подпороговая в отношении вызова ПД анти-ортодромная стимуля ция вызывала изменение частоты пейсмекерных ПД этих нейронов без видимых изменений уровня ПП, регистрируемого от соматичес кой мембраны. В некоторых гигантских нейронах с пейсмекерными фоновыми ПД искусственная гиперполяризация может приводить к подавлению соматического компонента ПД, однако не изменяет час тоты генерации оставшихся разноамплитудных компонентов. Усиле ние гиперполяризации вызывает уменьшение частоты А-компонентов и их полное исчезновение.
В нейронах моллюсков синапсы, а соответственно и локусы ге нерации ПСП находятся на аксонах (аксо-аксональные синапсы). Локус же генерации пейсмекерного потенциала расположен на мембране сомы нейрона. Это представление о существовании сома тического пейсмекерного потенциала, независимого от синаптичес ких процессов, подтверждается тем, что после перевязки аксона вблизи от сомы нейрона тонкой ниткой все ПСП исчезают, а пейс мекерный потенциал остается. Эндогенное происхождение пейсме керного потенциала подтверждается полной механической изоля цией нейрона моллюска, которая достигается обработкой ганглия трипсином.
В изолированном нейроне остается только пейсмекерная актив ность, сохраняя тот же уровень колебаний, что и в интактном ганглии. В ряде случаев в отдельном нейроне микроэлектродом можно реги стрировать несколько независимых пейсмекерных потенциалов, каж дый из которых способен вызывать свои ПД. Эти ПД отличаются амп литудой, формой и частотой генерации. Отсутствие относительной и абсолютной рефрактерности для этих ПД указывает на то, что они возникают в разных функционально изолированных участках мембра ны. Независимость пейсмекерных потенциалов подтверждается тем, что гиперполяризация влияет на каждый пейсмекерный потенциал по-разному: частота одного из них снижается больше, другого — мень ше. Деполяризация, ускоряя оба пейсмекерных потенциала, действует сильнее на тот из них, который больше замедляется при гиперполяри зации. Различное воздействие электрического тока на два пейсмекер-
44
Плана I Псирофнзиолошя Клеточные основы обучения
5 Пейсмекерный потенциал
45
ных потенциала можно объяснить разным удалением двух независи мых пеисмекерных локусов соматической мембраны от кончика мик роэлектрода, введенного в нейрон.
Дальнейшее изучение локализации механизма пеисмекерных по тенциалов в нейроне связано с экспериментами Б. Альвинг, показав шей, что пейсмекерная спайковая активность продолжает регистриро ваться 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 нейро нов. Такие же результаты получены и в экспериментах, в которых с помощью протеолитических ферментов проводили полную механи ческую изоляцию тел отдельных нейронов с отростками разной длины или вообще без отростков. Эспериментаторы обнаружили сохранение исходного вида пейсмекерной активности в таких полностью изоли рованных нейронах. Эти факты говорят о том, что пейсмекерный ме ханизм локализован в соме.
Некоторые данные свидетельствуют о том, что не исключена воз можность 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 веще ство активирует латентно-пейсмекерный локус, что подтверждается тестом на подавление полученных волн с помощью оуабаина. Изоля ция такого нейрона от ганглия и наложение лигатуры за зоной генера ции 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 нача ле промежуточного сегмента, то введение антибиотика уже не вызыва ет появления медленных волн, хотя уровень ПП такого нейрона оста ется выше 40 мВ, а возбудимость соматической мембраны сохраняет ся. Результаты работы ученых свидетельствуют о том, что дистальный пейсмекерный потенциал возникает в районе отростка между промеж уточным сегментом и зоной генерации ПД в начале медиального сег мента.
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 гене рации электрических потенциалов. Такие локусы могут находиться как на уровне соматической мембраны, так и вблизи области генера-
ции ПД на отростке. Различие форм пеисмекерных волн объясняет ся, видимо, различным расстоянием локусов пейсмекерной актив ности 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, кри тической величиной деполяризации и величиной следовой гипер поляризации.
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 эндоген ные процессы, приводящие к периодическому изменению ионной проницаемости поверхностной мембраны. Важную роль играют изме нения ионной проницаемости мембраны под действием некоторых цитоплазматических факторов, например, системы обмена цикличес ких 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 мол люсков, 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 ак тивности диффузным действием выделяющихся медиаторных ве ществ.
Сложившаяся концепция о двух типах мембранных структур — электровозбудимой и электроневозбудимой, но химически возбуди мой, заложила основу представлений о нейроне как пороговом уст ройстве, обладающем свойством суммации возбуждающих и тормоз ных синаптических потенциалов. Принципиально новое, что вносит эндогенный пейсмекерный потенциал в функционирование нейрона, заключается в следующем: пейсмекерный потенциал превращает ней рон из сумматора синаптических потенциалов в генератор Представ ление о нейроне как управляемом генераторе заставляет по-новому взглянуть на организацию многих функций нейрона.
46
Глава I. Нейрофизиология. Клеточные основы обучения
5. Пейсмекерный потенциал
47
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 пу тать с локальными ответами. ,
В тех случаях, когда пейсмекерные потенциалы возникают в чис том виде, то отличие их от локального потенциала не представляет трудности. Для локального потенциала не характерна двухфазная ре акция, свойственная пейсмекерному потенциалу. Локальный потен циал не может возникнуть самостоятельно. Для его возникновения всегда необходимо предварительное возбуждение, т.е. первоначаль ная активация нейрона с помощью ПСП, электротонического потен циала. Пейсмекерный же потенциал может возникать и без внешнего воздействия. В то же время пейсмекерный механизм, вызывая ло кальное смещение мембранного потенциала, сам может провоциро вать локальный потенциал, предшествующий возникновению пейс-мекерного ПД.
Выявить, какой вклад вносят локальный и пейсмекерный потен циалы в развитие спайка, можно только опираясь на различия их ионных процессов. Возникновение пейсмекерных потенциалов обес печивается 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 изме нение пассивной проницаемости сопровождается изменением сопро тивления. 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 зада чей 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 кле точные 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 локализован ной 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 выраженнос тью активного транспорта ионов обнаруживается параллелизм. Кроме того, факторы, подавляющие активность этой ферментатив ной системы, всегда параллельно подавляют и активный ионный транспорт.
Являясь лишь источником энергии для накопления определен ных ионов в клетке и для выведения их оттуда, энзиматическая сис тема активного транспорта в принципе не должна была бы оказывать какого-либо прямого действия на мембранные системы пассивной ионной проницаемости, лежащие в основе электрической возбуди мости. Обе системы должны быть связаны лишь через возникающие трансмембранные ионные градиенты. Однако это заключение спра ведливо лишь в том случае, когда система активного транспорта об менивает внутриклеточные ионы на внеклеточные на электронейт ральной 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
48
Глава I. Нейрофизиология Клеточные основы обучения
5 Пейсмекерпый потенциал
49
через аксональную мембрану не сопровождается разделением заря дов. В последующих тщательных измерениях действия широко ис пользуемого 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 обнару живается 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 потен циала покоя дает косвенные сведения об участии электрогенного насоса в его формировании. У нейронов улитки эта зависимость значительно превышает аналогичную зависимость для диффузион ных 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 полу проницаемыми свойствами плазматической мембраны и активным компонентом, метаболически зависимым транспортом ионов. Оказа лось, что вклад метаболически зависимого компонента в общую вели чину 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 мем браны лежат в основе важных свойств нервной клетки, в первую оче редь ее способности генерировать ритмические разряды нервных им пульсов. Электрогенный эффект активного транспорта возникает в результате несбалансированного переноса ионов в разных направле ниях. Широко известен гиперполяризационный постоянный потенци ал как результат активного вывода ионов натрия, суммирующийся по тенциалом Нернста. Дополнительное включение активного насоса ионов натрия создает фазические медленные волны гиперполяриза ции, возникающие обычно вслед за высокочастотной группой ПД, приводящей к избыточному накоплению натрия в нейроне. Несо мненно, что некоторые из компонентов механизма электрической воз будимости соматической мембраны, а именно, электроуправляемые кальциевые каналы, являются вместе с тем фактором, сопрягающим мембранную активность с цитоплазматическими процессами, в част ности с процессами протоплазматического транспорта и нервной тро-
фики. Детальное выяснение этого важного вопроса требует, однако, дальнейшего экспериментального изучения.
Сохранение пейсмекерного потенциала после подавления потен циала действия тетродотоксином. Можно предположить, что волна деполяризации, образующая колебания пейсмекерного потенциала, представляет собой медленно развивающийся процесс электровозбу димой мембраны, аналогичный по механизму ПД. Известно, что гене рация ПД связана с открыванием натриевых пор. Вход натрия в ней рон 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 исключе нии генерации ПД частота и амплитуда пейсмекерных потенциалов остается той же, что и в интактном нейроне. Пейсмекерные осцилля ции в нейроне, подвергнутом действию тетродотоксина, воспроизво дят 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, ко торые лежат в основе пейсмекерной активности. Действительно, ак тивность пейсмекерного локуса нейрона в значительной степени зави сит от температуры окружающей среды. Так, изменение температуры от +2 до +42°С вызывает значительную модификацию пейсмекерной фоновой активности. Увеличение температуры приводит к возраста нию уровня поляризации пейсмекерных нейронов и к одновременно му увеличению частоты их генерации. Уровень критической деполя ризации, необходимой для генерации ПД, при этом остается неизмен ным. 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 увели чивает 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 со противления мембраны. В то же время она приводит к гиперполяриза-
4-1015
50
Глава I Нейрофизиология Клеточные основы обучения
5 Пейсмекерный потенциал
51
ции клетки и изменению потенциала равновесия для калия. В таком случае на фоне гиперполяризации будет отмечаться увеличение час тоты пейсмекерных потенциалов. Повышение температуры может также приводить к усилению спонтанного выброса медиатора, увели чивая частоту ПД в синаптически пейсмекерном нейроне.
Пейсмекерный механизм, являясь эндогенным по происхождению, может активироваться и инактивироваться на длительное время в ре зультате афферентных воздействий на нейрон. Пластические реакции нейрона могут обеспечиваться изменениями эффективности синапти-ческой передачи и возбудимости пейсмекерного механизма. Анализ взаимоотношений пейсмекерного и синаптического потенциалов по зволяет говорить о том, что пейсмекерный потенциал нервных клеток выполняет ряд важных функций. Прежде всего, пейсмекерный потен циал без каких-либо внешних воздействий на нейрон способен обес печивать генерацию ПД в клетке, выступая в роли внутреннего меха низма, 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 оче видным, что нервная клетка может быть источником собственной ак тивности, оказывающей сложное действие на нижележащие после дующие 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 ан самбля нервных клеток. Так, одна из ветвей гигантского нейрона, не активируя всего нейрона, может обеспечивать деятельность того или иного локального физиологического акта. В случае усиления воздей ствий, приходящих к одной из спонтанно активных ветвей отростка этой клетки через синаптические контакты, возникает генерализован ный ответ, превращая такой нейрон в единую функциональную систе му. Пейсмекерный механизм, локализованный в соме, является уси лителем приходящих синаптических воздействий. Одиночный ВПСП, не способный самостоятельно вызывать ПД, активирует сначала пейс мекерный механизм сомы, а затем совместное их действие приводит к
генерации ПД. Наконец, в спонтанно активных пейсмекерных нейро нах пейсмекерный потенциал выступает как модулятор интегративно-го ответа нейрона, способный изменять активность нейрона в течение длительного времени.
Пейсмекерный потенциал является компактным способом переда чи внутринейронной генетической информации. Приводя к генерации ПД, он обеспечивает возможность выхода эндогенных сигналов на другие нейроны, в том числе и эффекторные, обеспечивающие реак цию. Тот факт, что генетическая программа включает звено управле ния пейсмекерным потенциалом, позволяет нейрону реализовывать последовательность своих генетических программ. Наконец, пейсме керный 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 пейсме керного потенциала еще больше расширяют возможность приспособ ления наследственно фиксированных форм к потребностям организ ма. 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 последова тельность потенциалов. Прямым доказательством генетической регу ляции пейсмекерной активности служит мутант дрозофилы с рит мичным подергиванием ноги в условиях наркоза. Это подергивание возникает в результате того, что мотонейрон, управляющий движе нием ноги, получает сигналы от пейсмекерного интернейрона. Пейс мекерный потенциал этого интернейрона является выражением гене тического влияния.
Видовую специфичность пейсмекерных потенциалов, видимо, сле дует отнести за счет того, что генетический аппарат может прямо вли ять 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«
52
Глава I Нейрофизиология Клеточные основы обучения
6 Организация рефлекторной дуги
53
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 рефлек са охватывает различные по сложности поведенческие акты. Эво люция рефлекторной деятельности не сводится к объединению эле ментарных рефлексов, а включает в себя качественные преобразо вания, основанные на формировании новых нейронных структур, надстраивающихся над уровнем более элементарных единиц. В ка честве примера можно указать на командные нейроны, надстроен ные над уровнем мотонейронов, в результате чего возникает воз можность реализации целостного поведенческого акта. Вместе с тем мотонейроны продолжают выполнять свои функции механиз мов локальных реакций. Такое построение новых этажей управле ния за счет качественно новых нейронных структур образует иерар хическую систему. Следовательно, рефлекторный акт — это услож няющаяся в эволюции иерархическая система. Исследование архи тектуры рефлекторной дуги в простых биологических системах открывает путь к расшифровке ее нейронной организации с учетом тех синаптических связей, которые обеспечивают реализацию пове дения.
Сравнительный анализ строения и функционирования нервной системы указывает на единство общих принципов переработки ин формации. Это единство основывается на общих для разных уровней филогенетического развития генетических механизмах, поэтому изу чение нейронной организации простых биологических систем откры вает путь познания базисных механизмов поведения. Анализ нейрон ных механизмов поведения улитки может служить примером такого подхода. Внешнее наблюдение за поведением улитки сразу же позво ляет установить целостные поведенческие акты, отличающиеся соста вом участвующих в них мышечных элементов. Кроме того, различные рефлексы отличаются особенностями их изменения во времени. Сово купность определенным образом организованных мышечных единиц создает моторное поле рефлекса. Трансформация моторного поля во времени при реализации рефлекса образует траекторию его измене ний в пространстве состояний. При значительном различии рефлек сов 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 воз можных изменений.
Рефлексы различаются не только строением моторного лоля и тра екториями его изменений в ходе реализации, но и теми стимулами, которые вызывают рефлексы. Совокупность рецепторов, возбуждение которых приводит к возникновению определенного рефлекса, образу ет его рецептивное поле. Структура рецептивного поля рефлекса ме няется в зависимости от ряда условий, связанных с внешней и внут ренней средой организма.
Наконец, и моторное, и рецептивное поле данного рефлекса пре терпевают направленные изменения в результате многократных раз дражений, не сопровождаемых последующей стимуляцией (привыка ние и сенситизация), или ассоциативного научения, когда стимул со провождается подкреплением (классический и инструментальный ус ловные 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 кон цептуальной 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 команд ными нейронами, обладающими перекрывающимися моторными по лями. Локальный детектор связан с командными нейронами пластич ными синапсами. Моторное поле каждого командного нейрона опре деляется тем составом мотонейронов, с которыми связан. Каждый мо тонейрон связан с группой мышечных клеток и вызывает сложный по составу моторный ответ, образующий моторное поле данного рефлек са. Кроме того, командные нейроны имеют прямые связи с мышечны ми единицами, образующими фокус моторного поля командного ней рона.
54
Глава I Нейрофизиология Клеточные основы обуч*
6 Организация рефлекторной дуги
55
При достижении болевого порога локальных детекторов возбужда ются ноцицептивные детекторы, образующие на командном нейроне непластичные синапсы. Отдельные локальные детекторы, конверги руя на командный нейрон, своими рецептивными полями образуют рецептивное поле командного нейрона. Часть локальных детекторов, представляющих наиболее важный орган (пневмостому), представле на на командном нейроне непластичными синапсами.
Важным элементом концептуальной рефлекторной дуги являют ся 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 оконча ниях локальных детекторов, которые образуют синапсы на команд ных нейронах. Возбуждение модуляторных нейронов усиливает эф фективность синапсов детекторов, образованных на командном ней роне. Кроме того, модуляторные нейроны выделяют нейропептид в межклеточную среду, активируют внутриклеточные механизмы ко мандных 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 аб страктного представления рефлекторной дуги заключается в дости жении общего подхода к анализу конкретных нейронных механизмов памяти и обучения.
6.1.1. Командный нейрон
Каким образом возбуждение детекторов приводит к возникнове нию определенной реакции? Для объяснения этого явления необходи мо ввести понятие командного нейрона. Командный нейрон представ ляет 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 набо ром мотонейронов, с которыми связан данный командный нейрон. Если необходимо обеспечить набор разных реакций, то это достигает ся 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, конверги рующих 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, пере крываются. Таким образом, в зависимости от того, какой из команд ных нейронов активирован, возникает тот или иной вариант данного поведенческого акта. Командные нейроны сами образуют целые поля. Примером поля командных нейронов могут служить нейроны глубо ких слоев передних бугров четверохолмия. Каждый такой нейрон ха рактеризуется определенной моторной реакцией, разряжаясь перед совершением саккадического движения глаз определенной величины.
Внутриклеточная деполяризация командного нейрона через внут риклеточный микроэлектрод приводит к генерации серии потенциа лов 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 мотонейро ном, 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
56
Глава I Нейрофизиология. КлеточнЫ'
6 Организация рефлекторной дуги
57
Хемочувствительная мембрана командного нейрона оборонитель ного поведения включает никотиновые и мускариновые холинорецеп-торы. Локальная аппликация ацетилхолина на отдельные локусы мембраны вызывает деполяризационные потенциалы, блокируемые тубокурарином или атропином соответственно. Кроме того, некото рые 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 систе мы связей его с рецепторами или другими афферентными нейрона ми более низкого уровня. На детекторе сходится несколько кана лов. По каждому каналу возбуждение поступает через синаптичес-кий контакт, эффективность которого фиксирована. Если рецепто ры при действии на них раздражителя порождают сигналы другого вида, то между рецепторами и селективными детекторами должны быть включены нейроны. Такие нейроны, стоящие между рецепто рами 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, полу чившие название оппонентных нейронов со спектральными харак теристиками.
Кодируемый параметр представлен набором детекторов таким об разом, что каждому значению этого параметра соответствует опреде ленный детектор из данного набора. При изменении этого параметра входного сигнала максимум возбуждения перемещается по набору де текторов. Нахождение максимума возбуждения на наборе детекторов служит кодом данного входа.
У виноградной улитки наиболее подробно изучены локальные де текторы отдельных участков кожной поверхности и внутренних орга нов, селективно возбуждаемые при прикосновении. Детектор пред ставляет собой типичный сенсорный биполярный нейрон, дендрит ко торого образует контакт с рецепторами. При действии стимула, адре сованного к локальному рецептивному полю, внутриклеточно регистрируются потенциалы действия без заметного вклада возбуди тельных 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 па раллельных путей, ведущих от локального участка кожней поверхнос ти к командному нейрону. Предположение о группе синапсов, пред ставляющих моносинаптическую связь детектора с командным нейро ном, можно проверить, инъекцируя одновременно в детектор и ко мандный нейрон ионы разных металлов (обычно кобальта и никеля), позволяющих окрасить эти нейроны в разные цвета. Такой подход по зволяет идентифицировать конкретный синапс и изучить его тонкую структуру.
Рецептивное поле локального детектора состоит из точечной воз буждающей зоны и широкого тормозного окружения, обнаруживаемо го появлением длительных тормозных постсинаптических потенциа лов (ТПСП). Их появление можно связать с латеральным торможени ем между детекторами. В результате такой организации детектор сильнее отвечает именно на локальный раздражитель, чем на стиму лы, затрагивающие разные участки кожной поверхности.
6.1.3. Модуляторные нейроны
Модуляторные нейроны оборонительного рефлекса представлены пулом серотонинергических нейронов педального ганглия. Электри ческое раздражение этих нейронов ведет к выделению серотонина, ко торый, активируя аденилатциклазу, обеспечивает синтез цАМФ, при водит (при участии цАМФ-зависимой протеинкиназы) к фосфорили-рованию белков, образующих ионные кальциевые каналы. Потенци ал-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 оче редь 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 ион ный канал. Закрытому каналу, реагирующему на изменение электри ческого поля, соответствует фосфорилирование белка ионного канала. Серотонин как медиатор модулирующего нейрона переводит кальцие вые 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, вхо дящий в пресинаптическии участок, увеличивает выброс медиатора в синаптическую щель, что ведет к увеличению амплитуды возбуждаю щего потенциала командного нейрона. Введение в физиологический
58
Глава I 11ейрофизиология Клеточные основы обучения
7 Механизмы научения
59
, раствор серотонина воспроизводит эффект раздражения модулятор ных нейронов.
Модуляторные нейроны, выделяя в межклеточную среду пептид, активируют пейсмекерную активность командного нейрона, мобили зуя низкопороговые потенциал-зависимые кальциевые каналы. Эта мобилизация, видимо, как и в случае действия серотонина на преси-наптические окончания, связана с их фосфорилированием, переводя щим кальциевые каналы из «спящего» в реактивное состояние. Разли чие заключается в типе кальциевых каналов: в пресинаптических окончаниях активируются высокопороговые, а в соме нейрона — низ копороговые кальциевые каналы.
6.2. Принципы кодирования номером канала
Понятие анализатора, введенное И.П. Павловым, в процессе изу чения нейронных механизмов сенсорных систем пополнилось новым содержанием. Оказалось, что сигналы, выделенные рецепторами, под вергаются анализу в нейронных сетях так, что отдельные нейроны вы деляют дробные признаки. Тот факт, что разные параметры сигнала представлены возбуждением различных нейронов, означает, что ана лиз осуществляется посредством кодирования сигнала номером кана ла. Кодирование сигнала рисунком разряда одного нейрона и кодиро вание ансамблем нейронов не имеют надежных экспериментальных подтверждений.
Принцип кодирования номером канала состоит в том, что: 1) опре деленному сигналу в нервной системе ставится в соответствие опреде ленный максимально возбужденный нейрон-детектор, 2) определен ной реакции соответствует максимальное возбуждение реализующего ее командного нейрона. Таким образом при изменении стимула или при смене реакций максимум возбуждения перемещается с одного де тектора или командного нейрона на другой.
В эволюции кодирование сигнала номером канала ведет свое нача ло 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 непо средственно перемещаться по рецептивной поверхности и кодирова ние номером канала осуществляется смещением места, в котором до стигается максимум деформации волосковых клеток внутреннего уха при изменении частоты и интенсивности звука.
В том случае, когда стимул не может вызывать даже опосредован ного смещения максимума возбуждения по рецептивной поверхности,
кодирование номером канала реализуется за счет такой системы свя зей между рецепторами и афферентными нейронами, при которой оп ределенной комбинации возбуждений рецепторов соответствует един ственный максимум возбуждения на наборе афферентных нейронов. При изменении стимула меняется комбинация возбуждений рецепто ров 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 подхо да к проблеме обучения. Сетевой подход восходит к нейронной док трине. В ней подчеркивается роль нейрона как функциональной еди ницы нервной системы, а синапсам отводится решающая роль в хра нении информации. В своей ранней версии этот подход основывался на нейробиотаксисе, который использовался для того, чтобы объяс нить 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 «по левой» гипотезе подчеркивался глобальный аспект нейронной актив ности, а индивидуальный вклад нейронов и специфика нейронных со единений игнорировалась совсем. Начиная с 20-х гг. XX в., наиболее ярким выразителем идей «полевого» подхода был К. Лешли. В резуль тате 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 зави сят от количества экстирпированного мозгового вещества, а не от ло кализации повреждения. К. Лешли считал, что будущее развитие кле точной нейрофизиологии мало поможет изучению механизмов памя ти и обучения. Сейчас, критически оценивая эти взгляды, не стоит забывать о том, что нейрофизиология во времена К. Лешли еще толь-
60
Глава 1. Нейрофизиология. Клеточные основы обучения
7. Механизмы научения
61
ко начиналась. Ответом на «антиконнекционизм» К. Лешли стали опыты в области генетической биологии. Р. Сперри (1940) начал изу чать 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 свя зей. С тех пор в нейронауке накоплен колоссальный фактический ма териал, который не обеспечивает безусловной эмпирической опоры ни одной из этих концепций. На самом деле, все новые и новые откры тия 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 много кратное повторение внешнего сигнала с интервалами, превосходящи ми время переходного процесса. Если в результате повторений сигна ла система оказывается способной воспроизвести запись, то она обла дает 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 идентич ности их внутренних свойств. В реакциях изучаемого нейрона отража ется сложное взаимодействие свойств нейронной сети и специфичес ких особенностей данного элемента.
При классификации следовых процессов необходимо рассматри вать их зависимость от отсчета времени и возможности воспроизведе ния по сигналам, поступающим от других рецепторов. Первый крите рий позволяет выделить следовые эффекты, связанные и не связан ные с отсчетом времени после действия раздражителя. Первая группа включает : а) следовой эффект в виде переходного процесса, время которого определяется возвращением спайковой активности к исход ному 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 позво ляет косвенно исследовать фазы переходного процесса; б) с/гедовые эффекты в виде изменения свойств переходного процесса: длитель ности, величины, латентного периода, конфигурации. Наконец, важ ным показателем следовых эффектов может быть вариативность реак ции 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 от ношении момента раздражения; б) угасание реакций, специфическое в отношении интервала между раздражениями усиления или появле ние реакции. В данном случае речь идет о нейронном уровне условно го рефлекса на время: тормозного или возбудительного. Используя получение информации от других анализаторов как критерий разде ления следовых процессов, следует рассмотреть динамические свойст ва разных типов конвергенции сигналов на одном нейроне.
Развитие методов нейрофизиологического анализа работы нерв ных клеток позволило исследователям подойти к интерпретации яв лений памяти. Обычно данные о процессах памяти получают на осно ве результатов воспроизведения. Однако воспроизведение само зави сит от условий восприятия, условий фиксации, избирательности счи тывания, особенностей эфферентной системы, участвующей в воспроизведении сигнала. Энграммы памяти могут храниться в тече ние всей жизни, а доступ к ним утрачивается. Опыты, проведенные У. Пенфилдом (1969), показали, что при раздражении электрическим током зон «перекрытия» анализаторов на границе височной, затылоч ной и теменной областей коры больших полушарий больной, находя щийся 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. Про верка показала, что действительно воспроизводятся картины пережи тых 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. Сле довательно, можно говорить о существовании механизма памяти в виде непрерывной записи событий с одновременной отметкой време ни каждого переживания. Однако лишь часть этих «записей» поддает ся в обычных условиях воспроизведению, которое ограничено воз-
62
Глава I Нейрофизиология Клеточные основы обучения
7 Механизмы научения
63
можностями считывания. Используя метод суммирования вызванных потенциалов, отводимых с помощью вживленных в лобные отделы коры больших полушарий человека электродов, Г Уолтер (1965) обна ружил «волну ожидания» в форме негативного колебания, появляюще гося всякий раз перед тем, как испытуемому предстояло совершить действие или принять решение. Электроэнцефалограммы (ЭЭГ) по зволяют приблизиться к внутренним процессам и получить новые дан ные о природе нервного следа. Рассмотренные выше эффекты репро дукции 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 объ ектов те, которые были им предъявлены ранее. В этом случае механизм воспроизведения следа исключается и эффективность памяти измеря ется количеством правильных идентификаций. Однако описанный прием не позволяет исследовать «конфигурацию» следа памяти. Для того чтобы метод узнавания стал пригодным для изучения конфигура ции следа памяти, порядок исследования должен быть несколько изме нен. Сначала предъявляется стимул-эталон, с которым и сравниваются поступающие позже сигналы. Привыкание и есть одна из форм обуче ния, 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 ре акция 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 исчезно вении реакции при повторении раздражителя с интервалами, исклю чающими периферическую адаптацию и эффект утомления. По цело му ряду признаков «негативное научение» совпадает с внутренним торможением. Исследование угашения разных компонентов ориенти ровочного рефлекса показало, что избирательность процесса угаше ния опосредована следом повторяющегося раздражителя — «нервной
моделью стимула». Преимуществом «негативного научения» при ис следовании следовых процессов на уровне поведения и отдельного нейрона по сравнению с другими видами условных рефлексов являет ся простота экспериментальной ситуации, сводящейся к многократно му нанесению раздражителя.
Термин «привыкание» первоначально использовался в поведен ческих 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 использо ванного по одному из параметров — наблюдается восстановление от вета (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:
Ценность этих характеристик привыкания в том, что они примени мы и для идентификации явлений снижения ответов у простых нерв ных систем.
Привыкание является наиболее подробно изученной формой сти мул-зависимого обучения. Его называют также негативным научени ем, поскольку главная его задача — научиться не реагировать на опре-
64
Глаиа I Нейрофизиология. Клеточные основы обучения
7 Механизмы научения
65
деленный стимул. Привыкание в той или иной степени присутствует в разных рефлексах. Степень его выраженности зависит от специфич ности 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 стиму ла. Наиболее отчетливо привыкание выражено в системе ориентиро вочного рефлекса.
7.2.1. Психофизиология памяти в школе Е.Н. Соколова
Объективное изучение ориентировочной реакции в контексте па мяти было начато Е.Н. Соколовым и его коллегами в 50—60-е гг. Впе рвые в психологии в опытах использовались методы регистрации объ ективных показателей физиологических функций. Анализировали электроэнцефалограмму (ЭЭГ), частоту биения сердца, частоту дыха ния, движения глаз, сопротивление кожи (КГР), плетизмограмму. Ос новной эксперимент был задуман так, что получали массу возможнос тей для исследования привыкания — пластичности, играющей важ нейшую роль в ориентировочно-исследовательском поведении. При выкание — негативная форма обучения, обнаруживаемая у всех живых существ, независимо от уровня их эволюционного развития. Привыкание стало тем феноменом, который положил начало система тическому исследованию механизмов памяти. Анализировались изме нения, происходящие на макроуровне. В экспериментах Е.Н. Соколо ва была исследована динамика привыкания, выявлены его основные критерии, получены электрофизиологические показатели. Однако по мере накопления экспериментальных данных и появления новых на учных гипотез выбор объектов для исследований расширялся — на чавшись с исследований привыкания на уровне человека, в настоящее время он включает анализ нейрогенетических механизмов, изучение генетического контроля эффективности работы синаптических кон тактов во время формирования пластических изменений.
Исследование памяти методом угашения ориентировочного реф лекса. Каждый новый раздражитель, в том числе световой, вызывает комплекс соматических, вегетативных и электроэнцефалографичес ких реакций — генерализованную ориентировочную реакцию. Но по мере повторения светового сигнала генерализованный ориентировоч ный рефлекс сменяется изменениями, ограниченными зрительной системой — локальным ориентировочным рефлексом, угасание кото рого развивается при дальнейшем применении раздражителя. Наибо лее 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, нахо дящегося в темноте с закрытыми глазами, выражена высокоамплитуд ным альфа-ритмом, лишь на короткое время сменяющимся депрес сией. 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 тони ческих, еще более увеличивается. Однако следствием длительной фиксации светящейся точки является постепенное (2—12 опытов) развитие привыкания к ней. В результате спонтанные реакции депрес сии альфа-ритма тонического типа исчезают, частота фазических ре акций снижается, и ЭЭГ возвращается к типу, характерному для ЭЭГ при открытых глазах испытуемого в отсутствие фиксации. Что касает ся реакций депрессии альфа-ритма на световые раздражители разной интенсивности, то они в условиях непрерывной смены уровней интен сивности при применении 50—60 стимулов в опыте не угасают. Пара метры депрессии альфа-ритма и вероятность попаданий закономерно связаны с интенсивностью раздражителя. В условиях нанесения раз ных по силе раздражителей с усилением раздражителя закономерно сокращается среднее значение и дисперсия латентного периода, воз растает вероятность попаданий. Длительность реакции депрессии альфа-ритма максимальна в области порогового значения стимула.
Можно предположить, что подобная форма зависимости длитель ности реакции ЭЭГ от интенсивности стимула возникает в силу того, что реакция депрессии альфа-ритма в условиях предъявления сигна лов разной интенсивности зависит от двух факторов: физической силы раздражителя и трудности обнаружения сигнала при приближе нии 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 интен сивности 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 опре деляется лишь интенсивностью стимула. Наблюдающееся в ряде слу чаев увеличение латентного периода связано с формальным примене-
5-1015
66
Нейрофизиология Клеточные основы обучения
7 Механизмы научения
67
ннем критериев начала реакции при ослаблении депрессии альфа-ритма.
Из приведенных опытов следует важный вывод о том, что латент ный период депрессии альфа-ритма определяется прежде всего физи ческой силон раздражителя, тогда как длительность реакции и вероят ность 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 преж де всего степенью угашения реакции.
Угашение ориентировочного рефлекса состоит в потенциации си напсов вставочных нейронов. При этом афферентное коллатеральное торможение усиливается настолько, что реакция на выходе нейрона блокируется. Потенциированная система синапсов, соответствуя сис теме признаков повторяющегося сигнала, обеспечивает избиратель ность угашения ориентировочного рефлекса в отношении свойств на носимого раздражителя. При изменении раздражителя возбуждение поступает через новые синапсы, для которых афферентное коллате ральное торможение не выработано. Реакция на новый раздражитель тем больше, чем больше включено новых синапсов, т.е. чем большим количеством свойств новый раздражитель отличается от применявше гося 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 каж дому синапсу на пирамидном нейроне соответствует образованный коллатерально синапс на вставочном нейроне. При этом потенциация, ведущая к возрастанию параллельного торможения, возникает в воз буждающих синапсах на теле вставочного нейрона. Повторение раз дражителя приводит к сокращению латентного периода тормозного эффекта в отношении многократно применяемого в опыте стимула. Другой раздражитель, адресованный к другому синаптическому аппа рату 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 явля ется высокая избирательность в отношении параметров стимула. Представление о синаптическом механизме «привыкания» хорошо со гласуется с этими данными. Известно, что постсинаптическая потен циация избирательно возникает только в тех синапсах, которые непо средственно участвуют в проведении сигналов. Таким образом, на
уровне нейрона «внимания» следует ожидать избирательного угаше ния реакций на сигнал, специфически связанный с той, системой си напсов, которая участвует в кодировании наносимого раздражителя.
Специально следует остановиться на эффекте растормаживания, который позволяет отличать эффект ослабления реакции от ее угаше ния. После действия нового раздражителя реакция на прежний сти мул временно восстанавливается. В рамках рассмотренной схемы этому соответствует временное выключение вставочных нейронов в цепи параллельного торможения. Это можно объяснить, предполо жив, что кроме возбуждающих синапсов на вставочных нейронах име ются тормозящие синапсы с высоким порогом, через которые осу ществляется влияние детекторов новизны. При сильном возбуждении детекторов новизны вставочные нейроны временно отключаются, вы зывая эффект растормаживания.
На основании имеющихся данных можно высказать предположе ние о том, что детекторы новизны расположены на разных уровнях ЦНС. Наиболее яркое участие в реакции новизны принимают нейро ны 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 осно вано на том, что его компоненты избирательно угасают в отношении параметров повторяющего сигнала. Изменение любого параметра сти мула приводит к появлению ориентировочной реакции, величина ко торой в известных пределах пропорциональна разнице между наноси мым раздражителем и сформировавшимся следом. После угашения реакции, достигнутого в отношении одного раздражителя, системати чески изменяя тест-стимулы, можно определить границы сформиро вавшегося следа. Возможность изучения конфигурации следа памяти путем последовательных проб обусловлена структурой ориентировоч ного рефлекса, возбуждаемого нервными импульсами, которые возни кают при сравнении внешнего сигнала со следом памяти. Системати ческое изучение следовых процессов в зрительном анализаторе чело века на основе угасания локального ориентировочного ответа в опре деленной области было проведено в ряде исследований. Задача состояла в том, что, получив угашение реакции депрессии ЭЭГ заты лочной области на световой стимул фиксированной интенсивности, цвета, положения в пространстве, длительности и периодичности по явления, последовательно изменять разные параметры стимула так,
5*
Глава I Пеирофичиолошя Клеточные основы обучения
7 Механизмы научения
69
чтобы установить конфигурацию следа, возникшего в результате многократных нанесений стимула эталона.
В ходе опыта непрерывно регистрировалась ЭЭГ затылочной об ласти. После того, как реакции в виде депрессии альфа-ритма угасали, один из параметров сигнала изменялся. Появление реакции при изме нении 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 ус тойчиво угасала, изменялся другой параметр сигнала. Были проведе ны опыты с изменением цвета и пространственного положения стиму ла'. В этом случае один глаз фиксировал центр периметра, а другой — закрывался повязкой. Тест-стимулы последовательно наносились на соседние участки сетчатки. При обработке данных определялась зави симость длительности ориентировочной реакции или частоты ее по явления от изменения тест-стимула относительно изучаемого пара метра стимул-эталона.
Поскольку ранее избирательное угасание было продемонстрирова но в отношении высоты, интенсивности и других параметров звуко вых раздражителей, то, обобщая полученные данные, можно сказать, что при многократном повторении раздражителя в памяти с большой точностью фиксируются все параметры сигнала. Таким образом, нерв ная система, фиксируя в изменении своих элементов совокупность свойств раздражителя, создает в известном смысле «нервную модель стимула», которую можно представить как многомерный самонастра ивающийся 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 раздра житель, 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, воз никла в процессе исследования ориентировочной реакции (1969). Ос новное 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 рассогла сования с нервной моделью стимула, что ведет к растормаживанию реакции.
Формирование нервной модели стимула начинается с выделения отдельных признаков сигнала. Это осуществляется сетями, составлен ными из специфических афферентных нейронов. При этом отдельные признаки сигнала кодируются порядковым номером нейрона, стояще го на выходе нейронной сети. Под влиянием многократных повторе ний раздражителя афферентные нейронные сети перестраиваются и изменяют свои параметры так, что многократно повторяющиеся при знаки сигнала подчеркиваются, т.е. в определенных нейронах эти при знаки 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 знако мые 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 со ответствует отдельный синаптический контакт. Время действия раз дражителя и интервал между отдельными раздражителями с этой точки зрения кодируется аналогичным образом — номерами нейро нов, избирательно реагирующих на интервал между раздражителями. Сигнал поступает на нейрон «внимания» прямым путем в виде воз буждающего постсинаптического потенциала (ВПСП) и параллельно через систему вставочных нейронов, заканчивающихся на нейроне «внимания» тормозящими синапсами в виде тормозного постсинапти ческого потенциала (ТПСП). В ходе многократного применения раз дражителя происходит потенциация синаптических контактов вста вочных 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, остав ленным в нервной системе предшествующими раздражителями. Если данный стимул и след, оставленный ранее предъявленными раздражителями, совпадают, то ориентировочная реакция не возни-
70
'laud 1 Нейрофизиология Клеточные основы обучения
7 Механизмы научения
71
кает, если же не совпадает, то ориентировочная реакция возникает, причем она тем интенсивнее, чем больше различий между новым сти мулом 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 мо дификацией своих элементов строит нервную модель внешнего стимула.
Нервная модель стимула как селективный фильтр. Раздражи тель, параметры которого строго фиксированы, при первом примене нии вызывает у человека и животных целый комплекс реакций, вклю чающий движение глаз в направлении стимула, кожно-гальваничес-кую реакцию, сосудистые изменения и депрессию альфа-ритма. Рас смотрим случай, когда раздражителем служит световое пятно, подаваемое с помощью проекционного периметра в определенный участок поля зрения человека. Размер пятна, его интенсивность, дли тельность и интервал между отдельными предъявлениями строго по стоянны. После 10—15 предъявлений стимула компоненты генерали зованного 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 измене нии любого из фиксированных параметров стимула на величину, пре восходящую разностный порог, возникает реакция депрессии альфа-ритма, которая иногда сопровождается кожно-гальванической реак цией и движением глаз. Таким образом, под влиянием повторения стимула, обладающего фиксированными параметрами, нервная систе ма 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 фикса ция параметров действующего стимула? Сначала эксперименты про водили на кроликах, регистрируя электрическую активность нейро нов различных структур мозга экстраклеточными микроэлектродами, а затем, по мере углубления представлений о механизмах, участвую щих в фиксации характеристик поступающего сигнала, стали выпол-
нять опыты на моллюске Limnaea stagnalis и на моллюске Helixрота-tia. Ответ на вопрос о конкретных нейрофизиологических механиз мах, участвующих в «запоминании» параметров действующего стиму ла, искали при помощи микроэлектродной регистрации внутрикле точных процессов, которые развивались в отдельных клетках во время привыкания, а затем и при более сложных формах обучения (Соко лов, 1969, 1981).
7.2.3. Простые системы в исследованиях механизмов обучения
Сложность признаков сигналов, используемых ЦНС позвоночных животных, затрудняет детальный анализ формирования нервной мо дели стимула в процессе негативного научения. Переход на нейроны моллюсков позволил изучить этот механизм в более простых услови ях. 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 от носительно устойчиво, отличаясь от утомления и сенсорного утомле ния. 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 раздражени ям кожи. Исследователи сразу оценили ряд преимуществ, характер ных для электрофизиологического исследования гигантских нейро нов.
Е.Н. Соколов и В.П. Дуленко (1968) в опытах на виноградной улитке изучали привыкание отдельных нейронов. Были использова ны 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 вызыва ло 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-
72
I .ыва I Нейрофизиология Клеточные основы обучения
7 Механизмы научения
73
лов открыли феномен эндонейронального привыкания, в основе кото рого лежи г пластичность пеисмекерного механизма. Электрофизио логические характеристики пейсмекерных потенциалов, их роль в ор ганизации поведения, участие в процессах памяти изучались на полу-интактных препаратах и полностью изолированных нейронах. Осо бенностью 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 при роде пластичности пейсмекерных потенциалов были подтверждены в экспериментах на полностью изолированных нейронах виноградной улитки. На этом препарате была воспроизведена вся основная фено менология, открытая исследователями на полуинтактных препаратах и препарате изолированной нервной системы, в том числе и привыка ние (рис. 6).
Рис 6 Привыкание изолированного нейрона Helix pomatia к повторяющимся электричес ким раздражениям через внутриклеточный микроэлектрод Сила тока 1,5 нА, длитель ность 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 ло кально апплицировать биологически активные вещества. Для про верки гипотезы о внутриклеточном механизме обучения важно по-
лучать изолированные нейроны. Всем этим условиям удовлетворяют гигантские нейроны моллюсков. В поведенческих опытах было по казано, что у моллюсков можно выработать как привыкание, так и более сложные формы обучения. Однако, прежде чем описывать пластические изменения в идентифицированных нейронах моллюс ка, необходимо рассмотреть некоторые общие закономерности их развития.
Селективность привыкания. Наличие двух пейсмекерных по тенциалов, каждый из которых запускает свой независимый ПД фиксированной амплитуды и следовой гиперполяризации, позволя ет изучить степень селективности развития привыкания. Повторе ние применения деполяризующего тока постепенно перестает вы зывать реакцию одного пеисмекерного локуса, но продолжает уве личивать 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 сопровож даться слабым привыканием к току. Наоборот, локус со слабо выра женной адаптацией при многократном повторении раздражений может давать эффективное привыкание к внутриклеточному раз дражению. Таким образом, локальность адаптации может не совпа дать 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 из менения плотности тока в одном из пейсмекерных локусов; 3) ло кальной компенсацией действующего тока с торможением пейсме керной активности, но без сдвига мембранного потенциала. Пере рыв, 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 восста новлению реакции на более слабый раздражитель, который ранее использовался в опыте для угашения реакций. Последнее обстоя тельство 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 дей ствие более слабого Для проверки селективности привыкания ис пользуется применение тока противоположного знака — изменение направления тока не только вызывает реакцию в локусе, подверга-
74
Нейрофизиология Клеточные основы обучения
7 Механизмы научения
75
АХ С
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 подавле нии 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, одно кратная 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, по скольку в этом случае сопротивление мембраны остается постоянным. Регулярные импульсы тока, подаваемые через введенный в клетку микроэлектрод, вызывают сдвиг мембранного потенциала, регистри руемый вторым внутриклеточным микроэлектродом.
Наиболее простой формой взаимодействия постсинаптических по тенциалов (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 па мяти с наибольшей наглядностью проявлялась в опытах на полностью изолированных нейронах — ввиду особенностей данной биологичес кой модели все пластические изменения связаны только с соматичес ким отделом нейрона и часть из них имеет эндонейрональную локали зацию. Например, в опытах на изолированных клетках работа синапса моделируется при помощи микроионофоретически наносимого в хе-мочувствительные участки мембраны нейромедиатора. Повторное на несение медиатора в один и тот же локус может приводить к развитию десенситизации (постепенной потере чувствительности мембраны к действующему нейромедиатору) или сенситизации (повышению чув ствительности к нейромедиатору) (рис. 7, а). Удивительно, что хемо-чувствительные локусы мембраны одного и того же нейрона могут демонстрировать разнонаправленные изменения при повторных при менениях медиаторов (рис. 7, б). Еще более удивительно, что такие изменения могут развиваться независимо одно от другого при одно временной (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 виноград ной 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 ис ключительно высокую степень пластичности, потенциально заложен ную в каждую нервную клетку. По-видимому, в дальнейшем, вступая в нейронные связи, создаваемые мозгом по определенным критериям, нейроны реализуют тот пластический потенциал, который они изна чально 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 вы званного медиатором синаптического ВПСП на пейсмекерную актив ность.
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
76
Г пава I Нейрофизиология Клеточные основы обучения
7 Механизмы научения
/7
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 воздей ствии 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 анатоми ческой организацией. Очевидно, в этом случае передатчик, диффунди руя 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, получен ные в этих опытах, являются не только аналогами синаптических от ветов, но, возможно, отражают и естественную для них форму переда чи возбуждения экстрасинаптическим путем.
Jo_
Важным фактом, заставляющим связывать пластические измене ния с деятельностью постсинаптических структур, являются измене ния, развивающиеся при повторных предъявлениях внутриклеточных импульсов тока. Из наших экспериментов следует, что пластические изменения при микроаппликации АХ могут быть аналогичны полу ченным при внутриклеточной стимуляции и развиваться при посто янной чувствительности хеморецепторов мембраны. Механизмы при выкания при инъекции ионов и аппликации АХ оказываются связан ными 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 наблюдает ся уменьшение и полное исчезновение вызванных медиатором сдви гов 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 систе ма 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 неэф фективный раздражитель, называемый условным (точнее его следова ло бы назвать раздражителем, который должен стать условным), по вторно сочетается с высокоэффективным раздражителем, называе мым 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 реф лекса (обучения) условный раздражитель приобретает способность вызывать либо более сильный, либо новый ответ. Для того, чтобы об разовалась условная связь, произошло обучение, условный раздражи тель должен коррелировать с безусловным, предшествуя ему на неко торый 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 по даваемого стимула. Основной признак ассоциативного обучения за ключается в следующем: стимул, вместо свойственной ему реакции начинает вызывать другую реакцию, ему несвойственную. Это особен но наглядно, когда в качестве условного раздражителя исследуется стимул, сам вызывающий специфическую реакцию. Так, болевой раз дражитель, вызывающий обычно агрессивную реакцию собаки, при сочетании с подачей пищи становится условным сигналом пищевого поведения и вызывает весь комплекс пищевых реакций, включая вы деление слюны.
Таким образом, ассоциативное обучение характеризуется тем, что сигнал изменяет свое действие под влиянием последующего приспо собительного эффекта. Такое обучение является эффект-зависимым. Существуют две формы ассоциативного эффект-зависимого обуче ния: классический павловский условный рефлекс и инструменталь-
78
I лава I Нейрофизиология Клсючиыс основы обучения
7 Механизмы научения
79
ный условный рефлекс. В классическом павловском рефлексе безус ловное подкрепление подается за условным сигналом независимо от того, как реагирует на этот сигнал животное. Инструментальный ус ловный рефлекс состоит не в воспроизведении безусловной реакции, а в реализации такой реакции, которая позволяет достичь или избе жать 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 индиф ферентный стимул после процесса обусловливания сам становится способным выполнять функцию подкрепления. Такое обучение полу чило название обусловливания второго порядка. Ранее индифферент ный 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 зару бежных исследователей. В частности, анализировалось влияние бло кирования прекондиционирования безусловного ответа. По-видимо му, в ближайшем будущем появятся прямые нейрофизиологические факты, объясняющие механизмы развития этой исключительно важ ной формы ассоциативного обучения.
7.3.2. Клеточные механизмы ассоциативного обучения
В основе нейрофизиологических исследований механизмов фор мирования ассоциативной связи лежит принцип конвергентного за мыкания. Идея о конвергенции гетерогенных стимулов как принципе установления условного рефлекса была выдвинута Дж. Экклзом (1968). Он предположил существование центра конвергенции, кото рый 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 замы кания. Основу формирования следовых эффектов состарляли явле ния типа поеттетанической потенциации.
На иной основе построена концепция конвергентного замыкания П.К. Анохина (1968, 1974). Сохранив принцип конвергенции стиму лов гетерогенных модальностей на уровне нейрона как исходный ме ханизм взаимодействия и интеграции, П.К. Анохин дополнил концеп цию некоторыми новыми свойствами, а именно: взаимодействиями сигналов различных сенсорных и биологических модальностей. Осо бые свойства подкрепляющего фактора определяются специфически ми химическими реакциями, которые он вызывает, и соответствую щими молекулярными преобразованиями в пределах мембраны и ци топлазмы нейрона. Здесь происходит ассоциация эффектов условной и безусловной стимуляции с последующими выходами сложившейся интеграции на аксон в виде клеточного разряда. Таким образом, мес том сцепления двух действующих стимулов оказывается конкретный нейрон, а действие механизма ограничивается мембраной и цитоплаз мой этой клетки. Данная теоретическая концепция является основой для проведения исследований механизмов формирования ассоциатив ного обучения на одном нейроне.
Начало исследованиям механизмов пластичности положено рабо тами по изучению эффектов, связанных с использованием и неис пользованием 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 связа ны 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 яв лений, развивающихся при обучении, были выполнены X. Джаспером и его соавторами (1960). Исследовались условные ответы коры и под корковых структур. Основной вывод из этих работ заключается в сле дующем: большая часть нейронов каждой структуры мозга способна к выработке условных ответов на ранее индифферентный раздражитель при его сочетании с действующим на нейрон подкрепляющим стиму лом В других экспериментах периферическая стимуляция, неэффек тивная сама по себе, сопровождалась подкреплением, которое наноси ли через экстраклеточный регистрирующий микроэлектрод. У позво-
80
Глава I I кч'фофпзио.югия Клеточные основы обучения
7 Ысхашнмы научения
81
ночных животных такой способ приводил к формированию условных ответов. Полученные результаты показывают, что в процесс обучения вовлекаются нейроны самых разных отделов мозга позвоночных жи вотных 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 ре зультаты показывают, что ассоциативное обучение не является свой ством 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 ас социативных связей происходит на всех уровнях мозга млекопитаю щих животных. Исследованы нейроны коры, ретикулярной форма ции, лимбических структур, нейроны стриапаллидарной системы, ги поталамуса. Показано, что нейроны релейных ядер слухового анализа тора тоже обнаруживают пластические перестройки ответов при обучении. Эти результаты согласуются с представлениями об услов ном рефлексе как процессе, в котором участвуют все отделы мозга. Определение роли структур мозга в обучении является сложной зада чей, 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 различ ных корковых и подкорковых структур мозга способны формировать условные ответы на ранее неэффективные стимулы и усиливать и из менять исходные ответы по мере сочетаний условного (УС) и безус ловного (БС) стимулов, где БС — эффективный биологически значи мый стимул.
В работах многих авторов описано увеличение числа полисенсор ных нейронов после предъявления ассоциированных УС—Б С. Напри мер, А. Б. Коганом и его коллегами обнаружено, что после сочетания звука с поляризацией нейронов сенсомоторной коры через регистри рующий микроэлектрод мономодальные нейроны становятся полимо дальными, неотвечавшие нейроны — полимодальными, тонические реакции на звук превращаются в фазические, изменяется число ней ронов, отвечающих на стимуляцию торможением.
Условные реакции нейронов как активирующегося, так и тормоз ного типа появляются в пределах 10—15 сочетаний и довольно бы-
стро — после 30—50 сочетаний — достигают устойчивости. Такая вы сокая степень пластичности почти в равной мере присуща клеткам самых разных структур мозга при разнообразных способах выработки условных ответов.
При каждом конкретном условном ответе наиболее существенны ми для проявления ассоциативного обучения являются нейроны опре деленных структур. При регистрации мультинейронной активности во время формирования условного ответа было найдено, что в сомато-сенсорной коре ассоциативные ответы появлялись позднее, а в клино видном ядре вообще не наблюдались.
Отсроченное формирование следа памяти на нейронах позво ночных животных. В опытах на позвоночных животных получены ре зультаты, демонстрирующие отсроченное формирование следового эффекта в ситуации ассоциативного обучения. В работе М.Я. Рабино вича (1975) сообщается, что активационные условные ответы нейро нов на время при пропуске раздражений проявляются либо как пер вичное воспроизведение следовых эффектов при первом пропуске сочетаний, либо как отсроченное воспроизведение, при котором эф фективный ответ регистрировался не при первом пропуске, а в после дующих, 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 про пусках сочетаний. При этом ответы хорошо выражены, начиная уже с первого пропуска и далее.
Клеточные аналоги «реминисценции» — отсроченного формирова ния следа памяти — были получены и в ряде других экспериментов. Так, на нейронах двигательной коры бодрствующего кролика было показано отсроченное воспроизведение: регистрация внутриклеточ ной активности нейронов позволила обнаружить, что максимальные ответы на УС возникают через несколько десятков секунд после за вершения сочетаний. Эти отсроченные ответы нейронов были более сильными, чем ответы, которые регистрировались непосредственно после прекращения стимуляции, и чем ответы на реально действую щие стимулы. Феномен отсроченного обучения подтверждается мно гими экспериментами, проводимыми на позвоночных животных.
7.3.3. Внутриклеточные механизмы ассоциативного обучения
Как отмечают многие исследователи, обнаружены общие законо мерности в развитии обучения у животных, стоящих на разных ступе нях эволюции, так как в процессе обучения, по-видимому, реализуют -
6-1015
82
Глава I Псйрофизиоло! ия Клеючные основы обучения
7 Механизмы научения
83
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 моллюс ков. Для идентификации механизма, лежащего в основе поведенчес кого акта, необходим анализ клеточных основ поведения, включая изучение нейронных сетей безусловного и условного рефлексов. Со временные исследования по выработке ассоциативных связей для вы яснения механизмов, обеспечивающих развитие феномена формиро вания условного ответа, требуют адекватного объекта исследования: необходимо, чтобы поведенческая феноменология удовлетворяла ос новным требованиям, предъявляемым к истинным условным ответам, и давала целый ряд разновидностей ассоциативного обучения. Нейро ны выбранного объекта должны быть доступны для изучения меха низмов формирования ассоциативных связей и проведения опытов по определению их нейрохимических основ.
Многие исследователи склонны видеть такой объект в «простых системах», представленных беспозвоночными животными, в частнос ти моллюсками. Другие авторы подчеркивают различия в строении нервной системы позвоночных и беспозвоночных животных и прихо дят 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 пове дения и памяти. Точка зрения об использовании беспозвоночных жи вотных наиболее полно выражена в работе М.Б. Штарка (1978): «Об суждаемая задача — о связи электрогенеза и синтеза белков при обу чении на клеточных моделях — в настоящее время должна решаться с использованием «простых» клеточных систем и прежде всего — ан самблей крупных нейронов беспозвоночных животных.» При этом следует учесть работы, в которых отмечается наличие в таких систе мах 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 кле точных механизмов, изученных в опытах на простых системах, к объ яснению 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 электрическо го удара, вызывающего сокращение тела, животное начинает отвечать на одно зрительное или вибрационное раздражение. Условный реф лекс не вырабатывается, если условный и безусловный стимулы нано сятся в случайном порядке. У одноклеточных, кишечнополостных и низших червей индивидуальная память формируется на основе при выкания, суммационных и простейших условных рефлексов. Истин ные 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 ассоциатив ных связей на уровне поведения. Поведение, модифицируемое фор мированием 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 соче тания 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 подавал ся ток. Скоро животное обучалось удерживать щупальце на опреде ленном уровне. После извлечения мозга обученного животного спо собность этого мозга к обучению и ранее заученный навык на уровне нейронной активности сохраняются. Это дает возможность идентифи цировать 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 ос новном 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 сти муляции, наносимой на конкретный исследуемый нейрон через раз личные нервы, часто используются и природные стимулы. Например, в исследованиях О.А. Максимовой и П.М. Балабана (1983) была изу чена возможность выработки условного ответа в естественной ситуа ции, доступной для электрофизиологических исследований Реги стрировалась электрическая внутриклеточная активность идентифи цированных нейронов подглоточного комплекса ганглиев и церео-
84
[ лава I ] [сирофнзиология Клеточные основы обучен
7 Механизмы научения
85
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. Ана лиз изменений электрической активности идентифицированных ней ронов позволил выявить динамику процессов следообразования у ко мандных нейронов пищевого и оборонительного поведения виноград ной улитки.
Э. Кендел и Л. Тауц (1965) описали явление, получившее название гетеросинаптической фасилитации (ГСФ), которое изучалось на пре парате морского моллюска аплизии в условиях действия ассоцииро ванных стимулов. Это явление рассматривается как аналог условного ответа. Фактически эти работы явились первой попыткой проанали зировать формирование ассоциативных связей на уровне синаптичес-ких процессов С тех пор исследования, посвященные изучению ней ронных механизмов формирования условных ответов, значительно продвинулись. Имеется не только описание феномена ГСФ, но уже получены данные о внутриклеточных механизмах этой формы обуче ния.
Ассоциативное обучение изолированных нейронов. В опытах на изолированных нейронах виноградной улитки обнаружены клетки, у которых формирование следа памяти происходит во время ассоциа тивного обучения, так что после определенного числа сочетаний ус ловного 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 фе номен отсроченного обучения — он заключался в том, что во время предъявления ассоциированных стимулов ответ на «условный» сти мул или не изменялся или же ухудшался при любой частоте предъяв ления 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 вы полнения первой серии, состоявшей из предъявления 15—20 пар ассо циированных 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 ассо циируемых стимулов и от особенностей предъявления сочетаний, дан ный конкретный нейрон всегда обучается по одному и тому же спосо бу — или во время обучения или отсроченно. Это качество является его индивидуальной характеристикой в отношении данного вида обу чения (в опытах использовали ассоциации стимулов, адресованных различным структурам клетки — два внутриклеточных деполяризаци-онных стимула, активирующих пейсмекерный механизм или электро возбудимые мембраны, две микроаппликации медиатора или микро аппликацию медиатора в комбинации с электрическим стимулом). По-видимому, в основе этого феномена лежат особенности внутрикле точных процессов, опосредующих ассоциативное обучение, и эти про цессы 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 — исход ный 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, длитель ность 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 сочета ний 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
86
Г.ива i
Нейрофизиология. Клеточные основы обу
1С1ШЯ
7 Механизмы научения
87
Рис 10. Отсроченное обучение на нейроне ЛПаЗ при сочетании микроаппликаций АХ с электрическим деполяризационным стимулом, вызывающим генерацию ПД. а — исход ный 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 предъяв ление 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 активнос ти на изолированных нейронах не слишком велико — так, после вы полнения первой серии у клеток, обучающихся во время предъявле ния ассоциированных стимулов, оно не превышает 20 мин, а у отсро-ченно обучающихся нейронов — 40 мин. Время достижения максиму ма ответа после выполнения второй и последующих серий обучения изменяется. У нейронов первой группы все события развиваются тра диционно — при выполнении каждой следующей серии нужно все меньшее количество ассоциированных стимулов, а время сохранения следа на максимальном уровне актуализации возрастает (после вы полнения 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 до стижения максимальной активности следа памяти. Например, если
след после первой серии достигал наиболее высокого уровня актуали зации через 10 мин, то после второй или третьей оно увеличивалось до 30—40 мин. Кажется вероятным, что такие характеристики пластич ности нейронов могут лежать в основе распределенное™ энграммы по популяции клеток, опосредующих конкретную форму поведения. Вос произведение следа памяти через разное время после обучения проис ходит с различных нейронов, отличающихся временными характерис тиками достижения максимальной активности, инициированной обу чением.
Факты, полученные в опытах на изолированных нейронах, совпа дают по существу с данными экспериментов, проведенных на полуин-тактном препарате Helixpomatia. В частности, для командного иденти фицированного нейрона ЛПаЗ в этих опытах получили весьма похо жие временные параметры актуализации активной энграммы — около 90 мин после выполнения трех серий предъявлений ассоциированных стимулов (в опытах изучали условную пассивно-оборонительную ре акцию). Так как на поведенческом уровне этот условный ответ обна руживается непосредственно после обучения, то, следовательно, он осуществляется ансамблем нервных клеток, в котором не участвует идентифицированный командный нейрон ЛПаЗ (его энграмма актуа лизируется отсроченно). Это наблюдение заставляет предполагать, что в зависимости от времени, прошедшего после обучения, реализа цию следа памяти осуществляют разные по своему составу нейронные ансамбли. Изменение элементов системы обеспечивает функциональ ную 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 зре ния 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 со храняются. При комбинации раздражений малоэффективной зоны с раздражениями области эффективных реакций ответы со слабоэф фективной 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 синап су, впервые предложенному Д. Хеббом (1949).
Г.чава I Нейрофизиология Клеючные основы обучения
7 Механизмы научения
89
Концепции клеточного обучения. Открытие двух различных прин ципов клеточного обучения (препостсинаптического и премодулирую-щего), каждому из которых присуща ассоциативность, позволяло пред положить, что ассоциативные механизмы имплицитного и эксплицитно го обучения не нуждаются в сложных нейронных сетях. Способность детектировать ассоциации, возможно, просто отражает какое-то неотъ емлемое свойство некоторых клеточных взаимодействий. Полученные данные, кроме того, затрагивают интересный вопрос: связаны ли как-ни будь между собой эти явно различные механизмы? Прежде чем коснуть ся их возможной взаимосвязи, рассмотрим оба механизма обучения по дробнее, начав с премодулирующего механизма, участвующего в выра ботке классического условного рефлекса у Aplysia.
Л. Тауц и Э. Кендел сформулировали второй принцип ассоциатив ного обучения. Они обнаружили, что для усиления синаптической связи между двумя нейронами не требуется активности синаптичес кой клетки, если на пресинаптическую клетку действует третий ней рон. Этот третий нейрон, названный модулирующим, повышает выде ление 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 экс периментально 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 содер жит 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 дыха ния. Обычно животное втягивает жабру, когда раздражитель воздей ствует на противоположную часть тела (например, на мантийный вы ступ или сифон). И мантийный выступ, и сифон иннервируются соб ственными популяциями сенсорных нейронов. Каждая из этих попу ляций прямо контактирует с мотонейронами (двигательными нервными клетками) жабры, а также с различными типами возбуди тельных и тормозных интернейронов, образующих синапсы с мото нейронами. Исследователи обнаружили, что даже на базе такого про стого рефлекса, как втягивание жабры, можно выработать условный рефлекс.
Слабое тактильное раздражение одного нервного пути, например, обслуживающего сифон, можно сочетать с безусловным раздражени ем (сильным ударом электрическим током) «хвоста». Другой нервный путь, обслуживающий мантийный выступ, можно, таким образом, ис пользовать в качестве контроля. Контрольный нервный путь раздра жают 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, подвергавше гося обучению) становится сильнее, чем ответ на раздражение мантии (нервный путь, не подвергавшийся обучению). Если процедуру изме нить на обратную, т.е. в сочетании с ударом током вместо сифона раз дражать мантию, ответ на раздражение мантийного выступа вскоре будет превосходить ответ на раздражение сифона. Такое дифференци рованное обучение в некоторых аспектах удивительно похоже на то, которое наблюдается у позвоночных.
Для выяснения механизмов образования условного рефлекса внима ние сосредоточили на одном его компоненте, а именно на связях между сенсорными нейронами и клетками, служащими мишенью для их проек ций — интернейронами и мотонейронами. Стимуляция сенсорных ней ронов, связанных с сифоном либо с мантийным выступом, вызывает в интер- и мотонейронах возбудительные синаптические потенциалы. Эти синаптические потенциалы заставляют мотонейроны генерировать раз ряды, что приводит к быстрому рефлекторному втягиванию жабры. Без условное 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? Ока залось, что важную роль здесь играет фактор времени. Чтобы произо шло обучение, условный раздражитель должен предшествовать безус ловному 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 дейст вием 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 втяги вания жабры отчасти определяется конвергенцией условного и безус-
90
Глава I I (ейрофшиология Клеготные основы обуи
7 Механизмы научения
91
ловного раздражителей на отдельных сенсорных нейронах. Безуслов ный раздражитель представлен в сенсорных клетках влиянием моду лирующих нейронов (особенно тех из них, в которых нейромедиато-ром служит серотонин). Условный разражитель представлен в сенсор ных нейронах их собственной активностью. Исследователи обнаружи ли, что модулирующие нейроны, активированные безусловным раздражением «хвоста», вызывают большее пресинаптическое облег чение сенсорных нейронов, если сенсорные нейроны незадолго до этого генерировали потенциалы действия в ответ на условный раздра житель. 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 класси ческого условного рефлекса втягивания жабры является совершенст вование 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 ре зультате совершенствования или сочетания механизмов обучения более простых типов.
Следующим шагом на пути к разгадке того, каким образом фор мируются классические условные рефлексы, был бы ответ на вопрос: почему потенциалы действия, возникающие в сенсорных нейронах непосредственно перед безусловным раздражением «хвоста», увели чивают пресинаптическое облегчение? Ранее было найдено, что серо тонин, выделившийся из модулирующих нейронов в ответ на элект рическую стимуляцию «хвоста», инициирует в сенсорных нейронах ряд биохимических сдвигов. Во-первых, серотонин, будучи первич ным мессенджером, связывается с рецептором, активирующим фер мент 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 вто ричного мессенджера, активируя протеинкиназу (киназы — это фер менты, фосфорилирующие другие белки, т.е. присоединяющие к ним фосфатную группу, в результате чего их активность увеличивается или уменьшается).
I
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 дейст вия, обеспечивая тем самым большую продолжительность активного состояния кальциевых каналов, что позволяет проникнуть в преси-наптическую терминаль большему количеству кальция. Кальций вы полняет в клетке различные функции, в том числе участвует в высво бождении пузырьков с нейромедиатором из терминали. Когда в ре зультате увеличения длительности потенциалов действия в терми наль проникает больше кальция, выделение из нее нейромедиатора увеличивается.
Во-вторых, серотонин, приводя к активации протеинкиназы, спо собствует мобилизации пузырьков с нейромедиатором из мест их ре зервных скоплений к тем участкам мембраны, где они изливают свое содержимое из клетки наружу; это облегчает выделение нейромедиа тора, 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 усили вается действие серотонина? Потенциалы действия вызывают в сен сорных нейронах ряд сдвигов. Они позволяют натрию и кальцию по ступать 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. Ока завшись 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 рассматри вать ее как важный пункт конвергенции сигналов об условном и без условном раздражителях.
Таким образом, условный и безусловный раздражители представ лены внутри клетки конвергенцией двух различных сигналов (каль ция и серотонина) на одном и том же ферменте. Интервал в 0,5 с между двумя раздражителями, существенный для возникновения ус ловного рефлекса втягивания жабры, возможно, соответствует време-
92
1 лапа [ I [еирофизио.югия Клеточные основы обучения
7 Мсханишы научения
93
ни, в течение которого в пресинаптическои терминали происходят увеличение содержания кальция и его связывание с кальмодулином, в результате чего возрастает активность аденилатциклазы и увеличива ется образование цАМФ в ответ на действие серотонина.
Феномен зависимой от активности стимуляции пути цАМФ при сущ не только рефлекторному втягиванию жабры и «хвоста» у Aplysia. Как показали генетические исследования, тот же молекулярный меха низм свойствен классическому условному рефлексу у плодовой мушки Drosophila. Обнаружены моногенные мутанты, у которых обу чение нарушено. В результате мутации у определенного вида мутан тов аденилатциклаза утрачивает способность активироваться ком плексом кальция с кальмодулином. Исследования показали, что дан ной формой аденилатциклазы богаты отделы мозга, называемые гри бовидными телами, которые имеют критическое значения для некоторых типов ассоциативного обучения. Таким образом, исследо вания и на клеточном и на генетическом уровнях указывают на огром ную важность системы цАМФ как вторичного мессенджера для неко торых 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 фундаментальны ми свойствами клеток Из рассмотренных выше случаев следует, что пластические свойства клеток, по-видимому, определяются свойства ми специфических белков, способных реагировать на два независи мых сигнала (от условного и безусловного раздражителей). Эти моле кулярные ассоциативные механизмы действуют не изолированно. Они осуществляются в клетках, располагающих богатыми молекуляр ными приспособлениями для совершенствования ассоциативного процесса. Клетки же в свою очередь являются частью сложных нерв ных сетей со значительными избыточностью, параллелизмом и вычис лительными возможностями, что придает этим элементарным меха низмам существенную дополнительную сложность.
Рассмотрение возможных механизмов изменений в нервных клет ках при обучении остается завершить обсуждением следующих важ ных вопросов. Каким образом поддерживаются синаптические изме нения, 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 кратковре менной памяти, длится от нескольких минут до нескольких часов и сопровождается изменением силы предсуществующих синаптических связей (за счет описанных выше модификаций, опосредованных вто ричными мессенджерами). Долговременные, длящиеся неделями и месяцами, изменения хранятся там же, но для них требуется актива ция и экспрессия генов, синтез соответствующих белков и рост нерв ных 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 долговремен ной 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 эксплуата ции сенсорных путей. Поскольку разные люди воспитываются в раз личных условиях, испытывают воздействие различных сочетаний раз дражителей и, очевидно, по-разному применяют сенсорные и мотор ные навыки, «архитектура» мозга у каждого человека модифицирует ся по-своему. Такая дифференциальная модификация мозговой «архитектуры» в совокупности с неповторимым генетическим скла дом данного человека и составляет биологическую основу индивиду альности.
Подтверждением этому могут служить опыты, в которых обезь яну 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 свидетельст вуют полученные недавно данные, корковые связи в соматосенсор-ной системе непрерывно модифицируются и корректируются на основе скоррелированной активности с помощью механизма, подоб ного, 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.
94
1лава 1 Пеирофшио'югия Клею'шые основы об\чсшш
Механизмы научения
95
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 мо лекулярном уровне, т.е. если у обучения и у процессов развития и роста одинаковые молекулярные механизмы, то исследования обуче ния 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 не сколько часов (на препарате) или несколько дней и даже недель (на целом организме) увеличение синаптической передачи, вызванное ко роткой высокочастотной стимуляцией синаптического проводящего путиу или же парной пресинаптической активацией с постсинаптичес-кой деполяризацией. Прямые доказательства способности синапсов мозга изменять эффективность под влиянием повторяющейся стиму ляции были получены Т. Блиссом и Т. Ломо (1973). Повторная высо кочастотная 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 предпола гается, 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 являет ся 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 долговре менной потенциации и длительной гетеросинаптической депрессии (LTD)? Глютаматные рецепторы были идентифицированы как важ ные 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 замет ную роль в пространственном, а не в дискриминационном обучении и о том, что глютаматовые рецепторы могут участвовать в процессах передачи пространственной информации через гиппокампальный ме ханизм. Хотя понимание клеточных механизмов нейронной пластич ности 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 ве дется в контексте пластичности. Поэтому многие эксперименты имели своей целью идентификацию пластических изменений, кото рые происходят в физиологии и анатомии мозга, во время поведенчес кого обучения и запоминания. Так как пластичность стала доступной для исследований на клеточном и молекулярном уровнях, в настоя щее время идентифицировано множество механизмов нейронной пластичности, которые, очевидно, вносят свой вклад в разные формы обучения.
Для многих ученых основным изменением при формировании па мяти является развитие новых связей. Эта идея была развита Д. Хеб-бом в теорию клеточных ансамблей (1949), где центральное место за нимали пластические модификации, происходящие в местах соедине ния нейронов. Интересы современных исследователей направлены не только на синапсы, но и на механизмы формирования нейронных сис тем, и на внутриклеточные процессы, опосредующие все электрофизи ологические события, регистрируемые микроэлектродами у живых нервных клеток. Уровень развития методов биохимического и моле-кулярно-генетического анализа в совокупности с тонкими микроэ лектродными регистрациями электрической активности нейронов со здают исключительно благоприятные возможности для идентифика ции внутриклеточных превращений веществ, которые и составляют материальную основу памяти.
1 История изучения памяти
97
Глава II. Психофизиология памяти
1. История изучения памяти
Память каждого из нас уникальна. Она позволяет нам осбзнавать и собственную индивидуальность, и личности других людей. Лишив шись 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 пред ставления 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 «взбалтыва ния». Он считал, что если эти состояния не «смешивать», то память будет прекрасной. В конце V - начале IV в. до н.э. Диоген предполо жил, что память представляет собой процесс, который определяет рав номерное 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 «вос ковой 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 поверх ность вновь не станет чистой. Эта чистая поверхность и рассматрива лась Платоном как полное забывание, обратная сторона того же про цесса.
Вскоре после Платона философ Зенон (IV—III вв. до н.э.) выска зал предположение, что наши ощущения буквально записывают впе чатления 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 Аристо тель (IV в. до н.э.) высказал предположение, что чувства, мысли и память человека заключены в его сердце, а мозг служит лишь для ох лаждения крови. Необходимо отметить, что еще до Аристотеля Гип пократ и Кротон (V в. до н.э.) указывали на мозг как на орган «разу ма», отдавая сердцу роль органа «чувств». Это мнение в течение сто летий господствовало в умах людей, и отголоски его сохранились до сих пор. Аристотель первым ввел научную терминологию для описа ния психических процессов. Он приписывал сердцу все те функции, которые мы теперь приписываем мозгу: раз сердце осуществляет кро воснабжение 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 сохра нившая свою значимость до наших дней.
Херофилус (III в. до н.э.) ввел понятие «жизненных» и «живот ных» жидкостей. Он считал, что жизненные жидкости — это жидкости более высокого порядка, сосредоточенные в сердце. Они, в свою оче редь, продуцируют низшие животные жидкости, которые определяют функционирование памяти, мозга и нервной системы. Все эти явле ния он считал вторичными функциями сердца. Интересно отметить, что, по мнению Херофилуса, одна из причин того, что человек являет ся высшим животным, заключается в большом количестве складок мозга. Высказав подобную мысль, Херофилус не дал ей никакого объ яснения. Только через две тысячи лет (в XIX в.) была установлена и доказана важность функционирования коры головного мозга.
Древние греки предприняли первые попытки выделить физичес кую основу процессов запоминания: они попытались создать концеп цию 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 «вос ковой доски», не внесли ничего существенного в представление о па-
7-1015
98
Глава II Психофизиология памяти
История изучения памяти
99
мяти. Их основной вклад заключался в развитии мнемотехники и сис тем запоминания.
Дальнейшая эволюция представлений о памяти связана с именем выдающегося врача Галена, жившего во II в. Он выделил и проанали зировал 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 па мять. Гален полагал, что воздух всасывается в мозг и здесь смешивает ся с жизненными жидкостями. Эта смесь растекается по телу, позво ляя нам чувствовать, ощущать вкус и т.д.
Эта концепция стала официальной религиозной доктриной, что практически остановило развитие представлений о памяти на после дующие 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 же лезы и, доходя до определенного места, «включают» механизмы памя ти. Чем шире каналы, по которым течет жидкость, тем больше жид кости протекает через них. Именно таким образом он объяснял изме нение качества запоминания и силы того, что называется следами па мяти (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 запо минания. 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 влияни ем взглядов Галена и религиозного учения. Практически все великие мыслители принимали примитивные представления о памяти, сфор мулированные 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. Ис пользуя концепцию вибрации, разработанную Ньютоном, Гартли предположил, что в мозгу существуют вибрации, возникающие еще до рождения. Новые впечатления меняют характер, место, степень и про должительность 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 представ лений о памяти в XVIII в. С развитием науки в Германии в XIX в. про изошли значительные изменения в представлениях о памяти. Многие идеи, предложенные еще древними греками, были отвергнуты, и на их место пришли представления, почерпнутые из современной биологичес кой науки. Чешский анатом и физиолог Й. Прохаска (1749—1820) окон чательно и бесповоротно отверг устаревшую теорию жидкостей, так как она не находила научного подтверждения. Он понимал, что ограничен ность знаний делает попытку локализовать память в мозгу чистой спеку ляцией. «Подобная локализация возможна,— писал он, — но у нас недо статочно 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 кри вые забывания. Развитию современных представлений о памяти в зна чительной мере способствовали достижения в технологии и методоло гии. Однако даже в настоящее время локализация памяти представля ет собой очень сложную проблем, так же как и понимание механизмов функционирования памяти.
Современные исследования и теории, посвященные вопросам па мяти, в целом могут быть отнесены к трем областям: работы по изуче нию биохимической природы памяти; теории, в соответствии с кото рыми память не может рассматриваться как целостный процесс, а ско рее как ряд подпроцессов; работы по стимуляции мозга. Многие уче ные считают, что необходимо прекратить изучение процесса запоминания и сосредоточиться на забывании. Они полагают, что ос новная проблема памяти заключается именно в том, что мы все посто янно 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 толь ко что услышали, и свой собственный номер.
Кратковременная память работает в ситуациях, когда информа ция, попадающая в мозг, не перекодирована должным образом и пото му легко забывается. В долговременной памяти информация переко дируется 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 на чаты канадским нейрохирургом У. Пенфилдом (1891—1976). Он про водил операции по отсечению небольших частей мозга с целью изба вить пациентов от эпилептических припадков. Перед очередной опе рацией Пенфилд осуществлял электростимуляцию различных облас тей мозга, а пациент, находившийся в состоянии бодрствования, должен был сообщать о своих впечатлениях. Когда Пенфилд стимули ровал височные отделы коры головного мозга, то пациенты говорили, что перед ними всплывают яркие воспоминания детства. Пенфилд ус тановил, что стимуляция разных областей вызывает различный эф фект, но только стимуляция височных долей приводит к возникнове нию 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 кон кретными, 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 невозмож ным Высказывались предположения, что память локализуется в не которой определенной области мозга. Теперь установлено, что хотя отдельные участки мозга действительно способны оказывать влияние на различные параметры запоминания, тем не менее процессы запо минания и воспроизведения являются продуктом деятельности мозга в целом.
За последние десять лет наши знания о структуре и функциях па мяти заметно возросли. Очень велика в этом заслуга психологии, ней рофизиологии, биохимии и педагогики. Однако как ни значительны и многообещающи результаты, полученные в области исследования па мяти, 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 рациональ ных методов повышения продуктивности памяти связана с сущест венными трудностями. Работа памяти, ее материальная основа про должают 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 мат решка: 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 молеку лы, в том числе молекулы РНК (рибонуклеиновая кислота) и белков. Предполагают поэтому, что для объяснения феномена памяти необхо димо также учитывать биохимические закономерности, характери зующие построение новых молекулярных структур, при помощи кото рых, возможно, и кодируется информация. Эксперименты на живот ных показали, что подавление синтеза РНК затрудняет воспроизведе ние ими определенных реакций, усвоенных при обучении.
Многие жалуются на плохую память. Но ведь объем и продолжи тельность запоминания поистине удивительны. Об этом говорят ре зультаты специальных экспериментов, в которых тестируется количе ство материала, который может быть усвоен с одного раза.
2. Теории памяти
В современной нейронауке проблемы памяти исследуются на раз ных уровнях — от поведенческого до молекулярного. В данном разде ле 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, вовлека емых в приобретение, хранение и воспроизведение информации. В ре зультате обучения происходит модификация поведения, а память про является 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 станов лению 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 направ лений 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 сте пень ее готовности к воспроизведению, третье, анализируя нейрон ные и молекулярные механизмы памяти, может опираться как на принцип временной организации, так и на концепцию состояния энг раммы.
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 запоми нание предыдущего. Такое тормозящее влияние одного обучения на другое они объясняли нарушением персеверации процессов, которые развились во время заучивания слов нового ряда, так как после обуче ния 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 ассо циативных 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 ревер берации необходимы замкнутые нейронные цепи. Принципиальная возможность такого нейроанатомического образования была проде монстрирована в исследованиях Л. де Но, в окончательном виде, с учетом нейрофизиологических данных, гипотеза консолидации следа памяти была сформулирована Д. Хеббом (1949). Согласно его пред ставлению, стимулы, действующие в определенной ситуации, возбуж дают соответствующие им клетки, которые выполняют функцию ней ронных «представителей» внешних условий в центральной нервной системе. Если полученный сигнал больше не повторяется, то посте пенно 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, составляю щих замкнутую нейронную цепь. По цепи реверберирует возбужде ние, вызванное многократным действием стимула. Продолжаясь определенное время, реверберация электрических импульсов при водит к изменениям нервных структур. Происшедшие в синансах морфофункциональные изменения составляют основу долговре менной памяти. Предполагается, что многократное использование одних и тех же синаптических контактов не только улучшает прове дение импульсов, но и приводит к формированию специфических белков, адекватных данному виду стимуляции. В дальнейшем ис следователи уточнили основные положения гипотезы консолида ции следа памяти, согласно которой существование следа памяти в виде реверберирующих электрических импульсов является необхо димым условием перевода энграммы в устойчивую форму, которая может сохраняться в течение длительного времени. Из этого пред положения следует, что прерывание или предотвращение ревербе рации 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 опе рирует теория консолидации и другие теории, созданные в рамках концепции временной организации памяти, следующие: консолида ция — процесс, приводящий к физическому закреплению энграммы; реверберация — механизм консолидации, основанный на многократ ном пробегании нервных импульсов по замкнутым цепям нейронов; длительность консолидации — интервал времени, необходимый для перехода следа из кратковременного хранения, в котором он находит ся в виде реверберирующей импульсной активности, в долговремен ное, обеспечивающее длительное существование энграммы.
Основными в концепции временной организации являются поня тия о кратковременной и долговременной памяти. Подразумевается, что при фиксации происходит смена одной формы существования энграммы на другую. Представления о кратковременной и долговре менной 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 энграм мы, 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 иссле дований механизмов памяти. Животное обучали, а затем наносили раздражение, прерывающее реверберацию. Через определенное время производили повторное обучение, которое показывало степень сохра нения навыка. Раздражение, вызывающее нарушение памяти, получи ло название амнестический агент, а само нарушение — эксперимен тальная ретроградная амнезия.
2.2.1. Амнестические воздействия
Основной метод исследования временной организации памяти за ключается в искусственном воздействии на один из предполагаемых этапов становления энграммы, поэтому такое широкое применение получил метод экспериментальной ретроградной амнезии. Экспери ментальная ретроградная амнезия вызывается самыми разными воз действиями. Прошло почти пятьдесят лет с тех пор как С. Дункан (1949) и Р. Джерард (1963) впервые сообщили о том, что электросудо рожный 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 вли ять на память. Многочисленные экспериментальные данные показы вают, что электрическая стимуляция может и усиливать, и прерывать хранение следа.
В качестве амнестических агентов применяют различные вещест ва, 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, тран квилизаторов, стрихнина, различные наркотизирующие средства; га зовые 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 иссле дованиях для стимуляции мозга.
2.2.2. Виды обучения животных
Почти во всех исследованиях для изучения процессов памяти ме тодом экспериментальной ретроградной амнезии животных обучают решению задачи на избегание опасности. Функцию опасного (болево го или неприятного) стимула обычно выполняет электрическое раз дражение — более слабое, чем электрошок, но достаточное для получе ния 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 сти мулов — активная и пассивная. Обе мотивированы страхом, но отли чаются способом ухода от «угрожающего» стимула. В ситуации пас сивного избегания животное подавляет естественную реакцию на оп ределенные 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 «уг рожающим» или неприятным раздражением, вызывающим боль или страх. Возможность избежать действия такого опасного стимула за ключается 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 каме ра 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 отделе ниями 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 получа ют «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 обу чения.
В экспериментах на крупных животных используют похожую си туацию. Например, кошек в течение нескольких дней держат на го лодном пайке и для получения пищи обучают нажимать па педаль. В одном из опытов, когда кошка прикасается к пище, она получает отри цательное 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 си туации активного избегания болевого или неприятного стимула жи вотное может уйти от него по определенному ходу лабиринта или из бежать 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, сохраняю щийся в течение длительного времени. Это создает возможность изу чения динамики изменений следа памяти на всех этапах его разви тия — 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 «на казания» — болевого или неприятного стимула. Это и есть обучение с одной попытки. Контрольные эксперименты показывают, что навык, приобретенный после однократного действия «наказания», сохраняет ся в течение нескольких дней, недель и месяцев.
Метод обучения с одной попытки чрезвычайно широко распро странен в изучении механизмов памяти. Его использование позволяет снять эффекты суммации, возникающие при многократных трениров ках и усложняющие анализ нарушений памяти и изучение ее механиз мов.
Значительно реже животных обучают проходить К- или Т-лаби-ринты. В одном из ходов лабиринта применяют болевое подкрепле ние. 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 обуче ния, который заключается в достижении определенного числа пра вильных реакций животного в нескольких пробах.
Применение лабиринтов позволяет сделать перенос основных ре зультатов, полученных для более простых видов обучения, на его более сложные формы, а также сопоставить факты, полученные в опы тах с использованием обучения пассивному избеганию, с результата ми опытов, в которых применялись более трудные задачи. Такое сопо ставление основных результатов дает возможность изучить свойства памяти, не зависящие от формы обучения.
Кроме поведения активного и пассивного избегания, в экспери ментах применяют ситуацию выбора определенного стимула. В неко торых опытах животных не обучают ни одному из видов поведения — их помещают в лабиринт и регистрируют спонтанные выборы направ ления. В этом случае эффект от действия амнестического электрошо ка 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 меха низмов 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 эксперимен тальной задачи. Во-вторых, длительность электрошока может изме няться в широких пределах — от нескольких миллисекунд до десятков секунд. Возможность изменения силы и длительности электротока имеет важное значение для составления наиболее эффективных соче таний этих параметров. В-третьих, при использовании электрошока легче определить интервал времени от момента завершения обучения до начала действия амнестического агента — амнестического интерва ла. Использование других агентов приводило к приблизительному оп ределению этого интервала из-за длительных латентных периодов их действия. Электрошок является наиболее удовлетворительным сред ством для определения времени консолидации следа памяти, так как результат его действия обнаруживается мгновенно после применения. Исследования, в которых параллельно с нанесением амнестичес кого электрошока производилась регистрация электрической актив ности мозга, показали, какое большое значение имеет способ предъяв ления 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 электро шок), 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, при мененный 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 образова ний мозга в развитии ретроградной амнезии. Другими разновидностя ми нанесения электрошока являются транскраниальный и транскор тикальный электрошоки. При транскортикальном электрошоке воз можен 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 ограничи вает возможности его применения в изучении процессов памяти.
Выяснение механизмов развития ретроградной амнезии потребо вало изучения роли структур мозга в формировании следа памяти. Такие исследования стали возможными только с появлением метода нанесения локальных электрошоков. Локальные электрошоки приме няют через электроды, расположенные в определенных структурах го ловного мозга. Электрораздражения, не выходящие за пределы струк туры, позволили найти функциональные «центры», нарушение дея тельности которых ведет к ухудшению памяти.
2.2.4. Градиент ретроградной амнезии
Зависимость эффективности модуляции памяти от интервала вре мени между обучением и применением амнестического агента харак теризует градиент ретроградной амнезии. Градиент ретроградной ам незии 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 интенсив ности и от интервала времени, прошедшего после обучения. »
Из исследований градиента ретроградной амнезии можно сделать вывод: эффективность определенного амнестического воздействия из меняется 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 демонстри рует 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 ин тервала действие амнестических агентов становится неэффективным, так как след памяти уже зафиксирован и перешел в долговременное хранение. Зависимость степени нарушения памяти от интервала вре мени между обучением и применением амнестического агента называ ется амнестическим градиентом. Отметим, что каждый след имеет не сколько амнестических градиентов. Каждый градиент зависит от вида стимула, применяемого для прерывания реверберации нервных им пульсов. В качестве механизма, обеспечивающего нарушение фикса ции энграммы, предполагалась интерференция амнестических стиму лов 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. Соот ветственно 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 амне зию. Поэтому постепенно момент действия электрошока отодвигали от обучения на все большие интервалы времени. В некоторых иссле дованиях было показано, что применение электрошока даже через не сколько часов после обучения оказывается эффективным.
Получены следующие величины времени консолидации энграм мы: от 100 мс до 6 час. О. Бурешова и Д. Бурсш установили, что ретро градная 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 электро шока 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. Исследо вания показывают, что применение специальных методов дает воз можность получения ретроградной амнезии практически через любой интервал времени, прошедшего после обучения. Независимость нару шения 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 ин тервала 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 поло жениям гипотезы консолидации.
В исследовании X. Алперна и Дж. Мак-Го (1968) установлено, что длительность амнестического интервала времени зависит от ин тенсивности 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 эксперименталь ной ретроградной амнезии, были поняты как доказательство того, что электрошок приводит к физическому разрушению следа памяти. Предлагались и другие интерпретации изменения памяти после дей ствия амнестических агентов. В. Кул и Р. Миллер (1970) подчеркива ли конфликтный характер ситуации, которая складывалась после применения амнестического электрошока Другие авторы считают, что электрошок вызывает ответ, который является условным к ней тральному стимулу, и этот условный ответ конкурирует с ранее за ученным, 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 коли чество пищи, на рычаг нужно надавить несколько раз. Одну группу животных обучали делать эти движения медленно, а другую — бы стро. После действия электрошока скорость нажатий на рычаг значи тельно 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 электро шока почти не влияет на скорость их выполнения Если же они совер шаются медленно, то электрошок растормаживает их, и это выглядит как «забывание».
Другой гипотезой, пользующейся популярностью, является пред ставление о диссоциированном обучении. Основное предположение следующее если обучение выполняется на определенном функцио нальном фоне мозга, то правильное воспроизведение навыка, приоб ретенного в процессе обучения, возможно только на таком же функци ональном фоне. В применении к ситуации с экспериментальной рет роградной амнезией предполагается, что электрошок изменяет функ циональное состояние мозга. Это новое функциональное состояние сохраняется в течение длительного времени, и тестирование, выпол няемое через 24 часа, совершается на фоне нового функционального состояния, и поэтому воспроизведение навыка нарушается. В измене нии функционального состояния мозга заключается основная причи на 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 оце нивается по ухудшению памяти. Исключение составляют немногочис ленные работы, в которых показано, что с течением времени, прошед шего после обучения, повышается точность воспроизведения и умень шается 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 обу чения. Она приводит к улучшению памяти и подчиняется определен ным временным закономерностям: например, установлено, что эффек тивность фасилитирующего стимула снижается при увеличении ин тервала времени между моментом завершения обучения и моментом применения электрической стимуляции. Обнаружено, что посттрени ровочная стимуляция ретикулярной формации среднего мозга улуч шает 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 па мяти. Фасилитацию памяти получили не только при электрическом раздражении ретикулярной формации среднего мозга, но и при гиппо-кампальной локализации стимулирующих электродов при использо вании 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 фасили тирующего влияния на память показали, что большое значение имеет локализация электродов, через которые подается воздействие, исклю чительно важное значение имеет сила применяемого воздействия — в некоторых опытах показано, что в зависимости от силы электрическо го воздействия при одной и той же локализации стимулирующих электродов может развиваться противоположный эффект — ретро градная 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 показыва ют, что такое взаимодействие оказывается существенной переменной в изменениях памяти.
2.2.7. Стадии фиксации памяти
Гипотеза о двух последовательно развивающихся следах. Со гласно данной гипотезе, формирование энграммы осуществляется в два этапа. Первый характеризуется неустойчивой формой следа и су ществует в течение короткого времени. Это этап кратковременной па мяти. 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 раз виваться во время пребывания следа в фазе кратковременного хра нения. Последовательная смена состояний следа является необхо димым условием для фиксации энграммы. В завершенном виде гипотеза о двух последовательных этапах формирования следа па мяти была сформулирована Д. Хеббом, Р. Джерардом, Дж. Конор-ским. На основе экспериментальных фактов и клинических наблю дений были сформулированы основные положения теории консо лидации энграммы:
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 пред ложена П. Голдом и Дж. Мак-Го (1973). В основе ее лежит предполо жение о том, что при обучении развиваются два процесса: один — спе цифический, инициируемый приобретенным опытом, другой — неспе цифический. След памяти нестабт ^.н до тех пор, пока неспецифичес кий физиологический ответ на приобретенный опыт не закрепит состояние мозга, которое способствует обучению и хранению следа. Неспецифические явления, сопровождающие обучение и формирова ние следа, включают изменения уровня бодрствования, уровня опре деленных 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 дея тельностью многих структур мозга, то «чистый след» может оказаться за порогом воспроизведения.
Это единственная гипотеза, в которой процесс образования энг раммы и ее воспроизведение ставится в зависимость от общего состо яния ЦНС. В качестве энграммы в данной гипотезе выступает сово купность 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 специфи ческий процесс, остальные, выполняющие регуляторную функцию, рассматриваются как неспецифические процессы.
Гипотеза о трех последовательных этапах фиксации энграммы. Идентификация стадий памяти при действии различных фармаколо гических средств и ингибиторов синтеза протеинов привела к предпо ложению о существовании не двух, а трех последовательных этапов в закреплении энграммы. В основе такого «трехкомпонентного» подхо да лежат результаты о действии ингибиторов синтеза протеинов через разное время после обучения и предположение о том, что каждая ста дия фиксации имеет особое метаболическое обеспечение. Например, опыты показали, что интрацеребральное введение хлористого лития или хлористого калия за 5 мин до обучения вызывает развитие ретро градной 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 раз вития энграммы. К аналогичному заключению пришел исследователь Р. Марк на основании результатов экспериментов о влиянии на обу чение инъекций оуабаина и этаноловой кислоты (Кругликов, 1994). Это была попытка углубить анализ до уровня тонких метаболических процессов. Очевидно, что количество фаз фиксации определяется спе цифичностью применяемых воздействий, что доказано в более позд них исследованиях взаимоотношений биохимических процессов, раз вивающихся при обучении, с динамикой формирования следа памяти.
2.2.8. Кратковременная и долговременная память
Еще одна трудность в развитии концепции временной организа ции памяти связана с нечеткостью и приблизительностью основных понятий, на которые опирается теоретическая конструкция.
Центральным является понятие о кратковременной и долговре менной форме существования следа. Представление о кратковремен ной 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 опреде ленной 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. Со гласно другим представлениям, в кратковременной памяти след нахо дится несколько секунд, а в долговременной — от нескольких секунд до нескольких лет. Основные характеристики кратковременной памя ти: 1) кратковременная память является необходимым этапом для перехода следа в долговременную память; 2) содержимое кратковре менной памяти быстро угасает, может быть разрушено различными амнестическими воздействиями, легко передается в долговременную память; 3) объем кратковременной памяти ограничен. Долговремен ная 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 по следствиях действия электрошока на активность отдельных нервных клеток в научной литературе совсем немного. В основном результаты нейрофизиологических исследований опираются на методы регистра ции суммарной электрической активности различных структур голов ного мозга. Между тем для ответа на многие вопросы стали необходи мыми прямые нейрофизиологические данные, полученные при реги страции электрической активности от отдельных нервных клеток. Такие опыты были поставлены на виноградных улитках, нейроны ко торых доступны для проведения внутриклеточной регистрации в самых необычных условиях эксперимента. Изучалось влияние электрошока на уровне поведения и на уровне электрических процес сов, протекающих в нервных клетках. В проведенных опытах электрошок, использовавшийся в качестве амнестического агента, имел величины, сопоставимые с применяющимися в опытах на по звоночных животных. При стимуляции интактных моллюсков он был равен 6—10 мА, при прямом действии на ЦНС —1—3 мА. Установле но, что для нарушения памяти достаточно электрического раздраже ния меньшей силы. Электрошок, использованный в опытах на мол люсках, 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 механиз мов ретроградной амнезии показал, что в основе нарушения плас тических реакций лежит изменение процессов спайкогенерации и чувствительности постсинаптической мембраны к действию медиа тора.
Сопоставление длительности нарушений на уровне поведения и нейронной активности показывает, что определенным нарушениям поведения соответствуют изменения электрической активности ней ронов. Обнаружены следующие соответствия.
Фаза инактивации поведения и нейронная активность. Период инактивации на уровне поведения интактного моллюска характеризу ется полным отсутствием двигательной активности. На нейронном уровне непосредственно после применения электрошока любого вида происходит изменение фоновой электрической активности в виде рас пада ПД на микрокомпоненты, прекращения генерации ПД и группо вой активности нейронов (рис. 11). По длительности эти изменения электрической активности нейронов совпадают с продолжительнос тью периода инактивации.
Рис 11. Влияние электрошока на потенциалы действия, зарегистрированные от нейро нов 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 стиму лов. Исчезновение реакций на уровне поведения соответствует пол ному подавлению нейронных ответов. Период изменения динамики привыкания совпадает по времени с восстановлением реакции нейро нов на тактильные раздражения. В это время происходит усиление нейронной реакции при каждом очередном действии тактильного раз дражения. 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 ди намики привыкания. Этому соответствует полное восстановление амплитуды ПД всех нейронов, полное восстановление реакций на так тильные раздражения и динамики привыкания реакций у каждого нейрона.
В результате опытов установлено, что механизмом изменений электрической активности нейронов, развивающихся после приме нения электрошока, являются нарушения процессов спайкогенера ции, функции коммуникации между нейронами и изменение чувст вительности постсинаптической мембраны нейронов к действию медиатора. Соответственно механизм нарушения поведения состав ляют три явления: распад ПД на микрокомпоненты, подавление ге нерации ПД, депрессия реакций нейронов на действие тактильных стимулов.
Каждой фазе поведения животного соответствует определенный уровень электрической активности нейронов. Когда нейронная актив ность возвращается к норме, происходит восстановление двигатель ной активности животных, восстановление чувствительности к дейст вию 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 восстановле ния следа, восстановления специально разработанными методами: на поминания, ознакомления, вторично применяемых электрошоков. По казано развитие ретроградной амнезии для «старых», заведомо про шедших период консолидации следов памяти. Новые факты привели к созданию новых представлений о механизмах формирования энг раммы.
2.3.1. Восстановление памяти
Спонтанное восстановление памяти. Факты о спонтанном восста новлении 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 амне зия, 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 про изошло через 48 часов.
Результаты, полученные во многих экспериментах, показывают, что динамика восстановления памяти может быть чрезвычайно слож ной. 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 одно кратно. Через 48 часов, одну и четыре недели обнаружено восстанов ление памяти, через 24, 72 часа и две и шесть недель показана ретро градная амнезия.
Восстановление энграммы действием второго электрошока. Ис следователи обнаружили восстанавливающее действие вторично предъявленной комбинации «отрицательное подкрепление — элек трошок»: если на следующий день после предъявления амнестическо-го агента животному снова дать эту комбинацию, то произойдет вос становление навыка. Восстанавливающий эффект комбинации «отри цательное подкрепление — электрошок» сохраняется даже через две недели после развития ретроградной амнезии. Восстанавливающий эффект вторично предъявленной комбинации является неспецифи ческим по отношению к виду амнестического агента. М. Нечман и Р. Мейнике (1969) показали, что если в качестве амнестического аген та использовать двуокись азота, то ее повторное применение в сочета нии 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 со хранения навыка животным предъявляли электрическое раздражение, сила которого значительно меньше силы «обучающего» раздраже ния — оно не обладает обучающим эффектом. Восстанавливающее действие «напоминания» не зависит от интервала времени между тес тированием и предъявлением «напоминания». «Напоминание» обла дает специфическим действием в отношении повторной активации энграммы, сформированной в предыдущем обучении, а затем депрес-
сированной электрошоком. Опыты М. Блека (1969) показали, что об становка, в которой животное находится после эксперимента, может выполнять роль «напоминания». Результаты опытов других исследо вателей доказывают, что подкрепление и «напоминание» могут иметь разную физическую природу. Результаты опытов подтверждают, что электрошок переводит энграмму в латентное состояние. «Напомина ние» может выполнять функцию стимула, активирующего энграмму.
Восстановление памяти методом «ознакомления». Д. Льюис и соавторы (1968) сообщили еще об одном способе восстановления па мяти: если перед обучением животное поместить в эксперименталь ную камеру и дать возможность свободно передвигаться по ней в тече ние нескольких минут, то после применения амнестического агента ретроградная амнезия не возникает. Влияние предварительного опыта на устойчивость следа памяти получило название эффекта «ознаком ления». Применение метода «ознакомления» в экспериментах, на правленных на изучение стабильности следа памяти, оказалось эф фективным способом реконструкции энграммы после применения ам-нестических воздействий и дало новые факты, которые не могли полу чить объяснения с позиций концепции временной организации памяти. Опыты доказали, что существует оптимальное время пребы вания 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 ретроград ную амнезию. Оно уменьшилось до 200 мс. Но и при столь малом интервале времени предварительное «ознакомление» животных с экс периментальной камерой приводило к предотвращению ретроградной амнезии.
Результаты применения специальных методов восстановления па мяти, депрессированной применением амнестических агентов, дока зывают, что ни один из известных в настоящее время агентов не может полностью разрушить однажды сформированный след памяти, а причина ретроградной амнезии заключается в нарушении воспроиз ведения 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 получе ние 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 па мяти у первой группы животных производилась следующим спосо бом: сначала животных обучали, а затем через 30 с после обучения предъявляли слабое электрическое раздражение, которым пользова лись 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 кото рой ранее происходило обучение поведению пассивного избегания. Через 500 мс после этого предъявляли электрошок. При тестирова нии, выполненном через 24 часа, обнаружили ретроградную амнезию у животных обеих групп. Следовательно, существенным для развития ретроградной амнезии является близость во времени второго отрица тельного подкрепления и электрошока, а не прерывание консолида ции следа памяти, выработанного шесть часов назад.
Аналогичные результаты получены в исследовании Дж. Мисанина (1968). В опытах интервал времени, через который проводилась реак тивация следа, был равен 24 часам. Существенным дополнением к уже имеющимся данным явилось доказательство независимости «реакти вирующего» 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 ин тервал 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 ингиби торами синтеза протеинов — ацетоксициклогексимидом н пуромици-ном. Процедура реактивации следа оказывается эффективной для восстановления памяти у людей.
Эти опыты дали толчек новому направлению исследований, изуча ющему действие электрошока на вторично активированный след па мяти. Были предприняты попытки разработки вопросов о роли реак тивации следа памяти в развитии ретроградной амнезии. Фактически целью таких работ является демонстрация потери памяти при дейст вии электрошока на следы, заведомо прошедшие консолидацию. Раз витие 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* актива ции, а не абсолютным «возрастом».
В более ранних исследованиях основное внимание уделялось ин тервалу времени между обучением и нанесением электрошока. |Опыты А. Шнейдера и В. Шермана показали, что существенным яв ляется 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 приме нения 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 электри ческой активности головного мозга. Показано, что если реакция ак тивации, 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 мо мент времени, и пассивном, в котором пребывают энграммы, не подго товленные к воспроизведению. Применяя стимул, способный активи ровать 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. Интер валом уязвимости следа памяти является время, в течение которого поддерживается готовность следа памяти к воспроизведению. Поэто му для амнестических агентов важно состояние энграммы к моменту предъявления электрошока, а не «возраст» энграммы. Предполагает ся, что энграмма переходит из одного состояния в другое в зависимос ти от работы механизма, обеспечивающего избирательную активацию следов памяти.
Таким образом, вопрос о величине интервала времени, в течение которого происходит консолидация следа, становится бессмыслен ным, так как ретроградная амнезия возникает на фоне реакции акти вации, 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 разли чиями в готовности к воспроизведению. Основные положения концеп ции 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 обу чении фиксация памяти происходит сразу (по мере обучения). Дина мика обучения отражает и динамику фиксации памяти. Память суще ствует в активной форме, готовой к реализации в данный момент вре мени, и пассивной — не готовой к непосредственному воспроизведе нию. 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 являют ся опыты по ретроградной амнезии — страдает след памяти только что сформированный или реактивированный и потому имеющий электро физиологический 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 фор мирования энграммы новые следы памяти могут поступать в активном или неактивном состоянии. Активная энграмма — след памяти, находя щийся 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 состоя нии энграммы можно судить только по результатам тестирования. Ак тивная 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 усилива ется 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». Па мять проявляется в возможности модифицировать поведение в зави симости от прошлого и настоящего опыта. Всякий раз повторно акти вированная 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 фено мены, которые остаются непонятными с точки зрения временного подхода к организации памяти. То, что принято называть кратковре менной памятью, является активной частью памяти, в которой в опре деленных ситуациях доминирует вновь приобретенный опыт. Поэто му законы, найденные исследователями для кратковременной памяти, остаются справедливыми, так как они характеризуют вновь приобре тенную часть активной памяти.
2.3.4. Активная энграмма и ретроградная амнезия
Для амнестических агентов доступен только след памяти, находя щийся в активном состоянии. Активная энграмма выражена опреде ленными нейрофизиологическими явлениями, в частности, паттерни-зированными последовательностями импульсной активности. В опы тах на отдельных нейронах показано, что электрошок приводит к нарушениям процессов электрогенеза и потере химической чувстви тельности, что вызывает нарушение функции коммуникации между нейронами. Обнаружено, что амнестический электрошок не только приводит к дезорганизации паттернизированной электрической ак тивности — он вызывает расщепление потенциала действия на микро компоненты, нарушает функциональную целостность электровозбу димой мембраны. Все последствия, возникшие после применения электрошока, являются временными и полностью исчезают через не сколько часов. В результате после восстановления нормальной элект рической активности нейронов происходит восстановление памяти. После применения амнестических агентов след памяти не воспроиз водится, потому что нарушены средства его выражения — электричес кие процессы определенных нейронов, участвующих в воспроизведе нии энграммы.
Электрошок влияет только на воспроизведение энграмм, находя щихся 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 разви тия 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 выра жение, а латентная энграмма такового не имеет. Например, у цып лят, 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 кон трольной группы. Следовательно, применение веществ не воспре пятствовало формированию энграммы, но временно блокировало ее воспроизведение, в течение определенного времени след памяти на ходился 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 энг рамма была сформирована, но ее актуализация была невозможна из-за нарушений электрической активности нейронов. В основе ак туализации следа памяти лежит его существование на уровне электрических процессов.
В ряде исследований, выполненных с использованием регистра ции электрической активности головного мозга, продемонстрирова но действие электросудорожного шока, приводящего к сильным из менениям регистрируемой суммарной активности и появлению эпилептоидной активности. В некоторых исследованиях определя лись 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 возник новения для генетически закрепленных форм поведения — ин стинктов, импринтинга. В этих случаях амнезия также оказывается временной. Следовательно, амнестические агенты, не разрушая мо лекулярной основы конкретной формы поведения (в данном случае инстинктов и импринтинга), временно блокируют ее воспроизведе ние.
2.3.5. Уровни существования энграммы ,
Энграмма, имея в своей основе определенный «молекулярный суб страт», актуализируется только при переводе молекулярного кода на уровень электрической активности. Многие факты доказывают воз можность функционального разделения этих двух способов существо вания энграммы: амнестический электрошок, не затрагивая молеку лярной базы следа памяти, временно блокирует его воспроизведение, нарушая перевод молекулярного носителя на уровень электрической активности. Опыты по трансформации памяти показывают, что моле кулярная составляющая энграммы может передаваться от донора к реципиенту. Например, в экспериментах А. Хандлера и Р. Конопки (1979) производилась пересадка мозга от дрозофилы, имеющей пра вильный циркадный ритм, «аритмичному» мутанту. Было показано, что при исключении роли прорастания проводящих путей ранее «аритмичная» особь превращалась в дрозофилу с правильно органи зованной локомоторной активностью, уровень которой определялся изменениями уровня освещенности. Предполагается, что носителем памяти в данном случае могли быть только специфические молеку лярные соединения, воздействовавшие на двигательные элементы, ко торые трансформировали пришедшее воздействие на уровень элект рической 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 заклю чались в следующем: ученые сочетали воздействие светом (условный раздражитель) с электрораздражением (безусловный раздражитель). После достижения критерия обучения (92% правильных ответов) каж дая планария разрезалась пополам, и через 30 дней, после того как каж дая 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 приобретен ный планариями навык кодируется какими-то химическими вещества ми, находящимися в теле обученного животного. Эффект от примене ния дифференцированных раздражителей (свет и вибрация) демон стрировал 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 осно вы фундаментальных явлений жизни, среди которых находится и спо собность 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, кото рое вошло в историю под названием «транспорт памяти». Этот термин включает две группы фактов, имеющих принципиально разное значе ние: в первую группу входят наблюдения, говорящие о прямом пере носе, когда под влиянием инъекции гомогената или экстракта мозга обученного животного-донора животному-реципиенту у него без предварительного обучения появлялся навык. Вторую группу состав ляют данные о значительном ускорении выработки аналогичного на выка у животных-реципиентов под влиянием гомогената или экстра кта мозга обученных животных-доноров. Транспорт памяти связан прежде всего со второй группой фактов.
Опыты Дж. Мак-Коннела заставляли предполагать, что при обуче нии происходит синтез определенных молекул, которые и являются молекулярными «носителями памяти». Попытки определения приро ды химических факторов, отвечающих за перенос навыка, начались с опытов, в которых регенерация планарий производилась в растворе рибонуклеазы В этих условиях планарий, регенерировавшие из хвос товой части, полностью утрачивали способность к более быстрому об разованию условного рефлекса, в противоположность планариям, ре генерировавшим из головного отдела, у которых рефлекс по-прежне му вырабатывался в три раза быстрее. На основании полученных дан ных было сделано предположение, что передающим химическим фактором является РНК. Однако многочисленные опыты не подтвер дили этой идеи, и она сыграла отрицательную роль в первых исследо ваниях транспорта памяти на позвоночных животных. Но, несмотря на непрекращающуюся критику данных методов обучения, большин ство экспериментаторов подтвердили результаты, полученные Дж. Мак-Коннелом, и согласились с его выводами, которые имели большое значение для начала опытов по транспорту памяти у позво ночных и беспозвоночных животных. Положительные результаты по транспорту памяти от обученных животных были получены на разных моделях и в разных лабораториях почти одновременно сразу несколь кими группами исследователей.
Дальнейшее развитие исследований было связано со специфич ностью проб По мере накопления данных, свидетельствующих о том,
что мозговые экстракты, полученные из мозга тренированных живот ных, вызывают поведенческие изменения, интересы учецых скон центрировались на специфичности этих изменений. В ранних экспе риментах реципиенты подвергались такому же обучению, как и доно ры. Положительным результатом этих проб являлось значительно более быстрое обучение подопытных животных при введении им мозговых экстрактов от обученных доноров по сравнению с кон трольными животными, которым вводился экстракт из мозга необу ченных животных.
Несмотря на то, что происходило ускорение обучения только тому навыку, которому были обучены доноры, явление это часто интерпре тировалось как общее облегчение консолидации памяти или как свя занное с неспецифическим стрессом, обусловленным обучением. Крыс учили избегать темноты при помощи воздействия на них элект рическим 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 электри ческих воздействий. Избегание темноты измерялось временем, прове денным в темном и светлом отделениях камеры. До инъекции живот ные проводили около 75% времени в темноте После инъекции это время сокращалось в зависимости от количества введенного экстра кта. 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 дру гих 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 экспери ментах 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 качест ве доноров использовались крысы, а реципиентами служили мыши. Реципиенты достигали 50%-ного уровня привыкания в течение перво го 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 экспери ментах 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 обучен ных рыб, введенный необученным рыбам, вызывал избегание и выбор тех же цветов, какие были выучены донорами.
В опытах применялось обучение разным навыкам. Возможно наи более специфичной из всех проб являются результаты опытов с обу чением в лабиринте. Например, широко использовалась лабиринтная методика, согласно которой крысы должны были выбирать освещен ный ход лабиринта, чтобы получшь воду. Критерием обученности служил процент ошибочных реакций. Из мозга обученных животных приготовляли экстракт, который затем вводился в цистерны головно го мозга реципиентам. Контрольным животным вводился экстракт не обученных крыс. Было установлено значительное увеличение пра вильных выборов у экспериментальной группы по сравнению с кон трольной группой. Использовалась и инструментальная методика обучения. Крысы должны были, реагируя на щелчок кормушки, обна ружить пищу. Критерием передачи навыка служило перемещение ре ципиента в определенный отсек камеры в течение контрольного вре мени посте щелчка. Экстракты мозга, взятые у обученных доноров, вводились группам мышей внутрибрюшинно. Затем они тестирова лись либо в том же лабиринте, в котором обучались их доноры, либо в другом лабиринте. Контрольные мыши получали экстракты мозга не обученных доноров. Группа животных, получивших экстракт от обу ченных 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 поло жительным результатам В этих опытах продемонстрированы прямой перенос навыка и видонеспецифичность передающего агента. Это по зволяет предположить наличие в мозговом материале какой-то до вольно специфичной информации — не только о вознаграждении в конце лабиринта, но и о наибыстрейшем способе его достижения.
Выделение пептидов, индуцированных обучением. В ряде экспе риментов ученые пытались ответить на два главных вопроса: какова химическая природа активных веществ, содержащихся в экстракте мозга обученных животных, и каковы функции, которые они выпол няют. Из всех использованных до сих пор подходов только метод био-
проб может пролить свет на эти вопросы. Проверенная временем стра тегия, которая привела к открытию многих эндогенных веществ, включала этап демонстрации наличия данного вещества при помощи биопробы, этап выделения и очищения материала под контролем био пробы, этап структурной идентификации активного вещества, синтез и сравнение этого синтезированного продукта с действием природно го вещества, содержащегося в экстракте мозга обученных животных. Г. Унгар (1977), основываясь на предыдущих опытах по передаче то лерантности к морфину и на интуиции биохимика, предположил, что молекулярным носителем памяти являются белки, а именно олиго-пептиды. Впервые идентифицированный, расшифрованный и синте зированный пептид был назван скотофобином1. Синтетический ско-тофобин успешно прошел испытания, причем эффективность инъек ции скотофобина была очевидной, даже если доноры и реципиенты были разных видов. Другие два пептида были выделены из мозга зо лотых рыбок, обученных различению цветов. Эти пептиды получили название хромодиопсины2. В дальнейшем был идентифицирован, рас шифрован, 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, инду цируемое у реципиентов, редко бывает точным повторением поведе ния, выученного донорами. В большинстве случаев это только блед ная копия, связь которой с оригиналом может быть установлена лишь при помощи статистической оценки и при сравнении с соответствую щим контрольным экземпляром. Тем не менее полученные данные об олигопептидной природе вещества-переносчика и факт быстрого включения этого вещества в формирование нового навыка у реципи ента позволяют говорить о способах транспорта памяти. Однако толь ко дальнейшие исследования, завершающиеся выделением, иденти фикацией и химическим синтезом веществ, транспортирующих па мять, смогут окончательно решить вопрос о механизмах этого явле ния. 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 аде кватные для животного формы обучения. Так, в подтверждение полу ченных ранее данных о переносе импринтинг-реакции клевания у ин дюшат на определенную фигуру был получен перенос импринтинг-ре акции 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 использова ния моллюсков в опытах по транспорту памяти. Животные с простой нервной системой представляют исключительные возможности в от ношении проведения биохимических исследований на уровне отдель ных нервных клеток. Непосредственная аппликация передающего ве щества на клеточную мембрану или внутрь клетки, ответственной за выработку ассоциативного обучения, позволит при использовании со ответствующих меток выявить пути включения фактора и изучить ме ханизмы его участия в процессах памяти.
Необходимо четко показать возможность переноса навыка у мол люсков 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 клас сического условного рефлекса или инструментального. При выработ ке классического условного рефлекса улитка обучалась не брать опре деленный вид пищи, которую она ранее охотно употребляла. В качест ве 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.
многих экспериментах на позвоночных и беспозвоночных животных показана специфичность этого явления. Получить однозначные отве ты исключительно трудно как по причине многофакторности выраба тываемых видов поведения, так и по причине сложности'идентифика ции и выделения веществ, отвечающих за перенос конкретной инфор мации.
Электрическая активность и воспроизведение следа. Воспроиз водимость энграммы при постоянстве ее молекулярного носителя за висит от состояния электрических процессов, которые являются сред ством актуализации следа памяти. Из рассмотренных примеров дей ствия электрошока и последующего восстановления памяти становит ся очевидно, что амнестические агенты приводят к ретроградной амнезии благодаря значительным изменениям электрической актив ности тех элементов, которые опосредуют актуализацию энграммы.
Свойственная памяти динамичность, с которой постоянно сталки ваются исследователи в экспериментах на поведенческом и на нейрон ном уровнях — от человека до одноклеточных — определяется моди фикациями электрических процессов, которые обеспечивают актуали зацию данной энграммы. Экспериментальные данные о зависимости воспроизведения от уровня бодрствования, мотивации, общего состо яния 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 консоли дация следа происходит во время обучения. Оно подтверждается экс периментами 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 осно ве экспериментальных данных ученые пришли к выводу, что невоз можно объяснить явления восстановления памяти неполным преры ванием консолидации. Амнестический агент устраняет всякую воз можность протекания консолидации, после действия амнестического агента уже ничего не происходит. Следовательно, фиксация энграммы завершается до применения амнестического агента, процесс консоли дации 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 генера ции паттернизированных нейронных разрядов.
9*
132
Глава II. Психофизиология памяти
2. Теории памяти
133
Основные понятия теории активной памяти сформулированы на основе результатов опытов поведенческого уровня, поэтому необходи мо ввести некоторые уточнения и дополнения, которые базируются на результатах изучения процессов памяти на уровне регистрации внут риклеточной нейронной активности: консолидация — совокупность биохимических процессов, опосредующих электрические реакции нейрона на определенные воздействия и приводящих к эффекту обу чения при контроле по электрофизиологическим показателям. Можно сказать, что активность нейронов, участвующих в обучении, отражает достигнутый уровень биохимических превращений, которые развива ются в процессе обучения и опосредуют электрофизиологическую фе номенологию. Электрическая активность нейронов становится лишь средством выражения тех глубоких изменений, которые произошли во время обучения на молекулярном уровне в результате определен ных воздействий. С этой позиции консолидация и процесс обучения становятся неразрывно связанными в своем развитии, причем достиг нутый уровень обучения при контроле по электрофизиологическим показателям отражает уровень консолидации. Это соображение требу ет 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 оп ределенных типов клеточной активности с тонкими биохимическими превращениями, развивающимися в нейроне. При попытках подойти к молекулярным механизмам определенного явления, имеющего электрофизиологическое выражение, всегда опираются на предполо жение о том, что оно опосредуется определенными биохимическими реакциями, пытаются определить механизм регистрируемого нейро физиологического феномена. Процесс включения этого молекулярно го механизма и есть консолидация, а сопутствующий нейрофизиоло гический феномен — это способ актуализации функционирования данного механизма. Отсюда еще одно определение консолидации: это процесс, предваряющий и опосредующий наблюдаемые нейрофизио логические явления пластичности. Это определение отличается от других тем, что в них под консолидацией понимается нечто, требую щее довольно значительной протяженности во времени после обуче ния. Консолидация завершается к моменту достижения максимально го электрофизиологического выражения следа памяти.
Возможно ли такое определение консолидации? Ведь имеется не мало данных о том, что развитие определенных биохимических про цессов достигает максимума после завершения обучения. Например, работа В.В. Ашапкина и Н.А. Тушмаловой показывает, что при фор мировании условных ответов у крысы происходит повышение синтеза
ДНК в неокортексе. Индукция синтеза ДНК связана с выработкой условного ответа и первыми часами его хранения. Авторы определи ли, что повышение синтеза связано с деятельностью нейронов. Инду цированный обучением синтез ДНК в неокортексе избирательно свя зан 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 проис ходит во время обучения и после него. Р.И. Салганик и другие уче ные (1981) в своих экспериментах, связанных с изучением роли об ратной транскрипции в процессах обучения, установили, что по вышение уровня содержания РНК-зависимой ДНК-полимеразы (показателя процесса обратной транскрипции) развивается в гиппо-кампе крыс по время обучения и достигает максимума после его за вершения. Аналогичные результаты о продолжающемся синтезе оп ределенных белков, достигающем максимума после обучения, сооб щают и другие исследователи. Можно предположить, что завершение некоторых «базовых» изменений, составляющих основу для выра женных 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 реак ции, которые определяют наблюдаемый электрофизиологический феномен? Например, Ашапкин и Тушмалова установили, что макси мальный уровень синтеза ДНК достигается через несколько часов после обучения, но электрошок, примененный через такое длитель ное 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. Возмож ны и другие объяснения этих результатов.
К концу обучения энграмма уже консолидирована. Проблема кон солидации в данном контексте исчезает — электрофизиологическая активность развивается как результат процессов интеграции на суб молекулярном и молекулярном уровнях.
2.4. Распределенность энграммы
Опыты с локальными раздражениями мозга показали, что разви тие 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 струк турам мозга и по ядрам одной структуры. Возникает предположение о том, что след памяти через разное время реализуется разными нейро нами. «Плавание» энграммы по структурам мозга отражает принцип организации памяти.
2.4.1. Распределенность энграммы по структурам мозга
Исследования, выполненные с использованием электрошоков, вы зывающих развитие электрической судорожной активности, показы вают сложную динамику перемещений активной энграммы по струк турам мозга. Для понимания механизмов формирования следа памяти большое значение имеет локальное электрическое раздражение опре деленных структур мозга, которое позволяет получить модуляцию па мяти при низких интенсивностях электрического раздражения. Дей ствие таких токов затрагивает только активность нейронов, располо женных 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 интер вала времени, прошедшего после обучения. Через разное время после обучения критичной для нарушения памяти становится стимуляция разных структур мозга. Было выдвинуто предположение о существо вании нейронных систем, обеспечивающих кратковременную и дол говременную память. Для идентификации таких нейронных систем были использованы локальные раздражения разных структур голов ного мозга: ретикулярной формации среднего мозга, гиппокампа, мин далины Стимуляция токами малой силы гиппокампа, миндалины, срединного центра у кошек или хвостатого ядра у крыс прерывает долговременную память для задач пассивного избегания. Раздраже ние ретикулярной формации связано с кратковременной памятью, хвостатого ядра — с кратковременной и долговременной, миндалины и гиппокампа — с долговременной. Кратковременная и долговремен ная память развиваются параллельно и обеспечиваются разными ней ронными системами. Интересно, что некоторые исследователи отно сят энграмму в одно и то же время и к кратковременному, и к долго временному хранению.
В опытах с экстирпациями различных участков мозга было пока зано участие разных областей в кратковременной памяти. Русский
физиолог Е. Мордвинов (1982) заметил, что, хотя наиболее отчет ливые и стойкие нарушения поведения животных были, связаны с разрушением префронтального неокортекса, тем не менее эффек тивными оказались и повреждения таких структур, как хвостатое ядро и другие базальные ядра, гиппокамп, септум, ядра таламуса, височная кора, ретикулярная формация среднего мозга. Использо вание методов электростимуляции подтвердило эти данные и по зволило обнаружить ряд новых фактов, которые принципиально не могли быть получены путем разрушений или охлаждения мозговых образований. Выяснилось, что эффективность изолированного раз дражения исследуемой зоны мозга (в смысле ухудшения правиль ности выполнения животным отсроченной задачи) различна в зави симости от того, в какой момент отсрочки производится раздраже ние. Нестабильность функциональной значимости одной и той же структуры мозга в различные моменты времени свидетельствует как о динамичности самого мнестического процесса, так и о сущест вовании временного паттерна взаимодействий между отдельными мозговыми областями, определяемого наличием или отсутствием критической необходимости участия данной области мозга в раз личные моменты реализации мнестического процесса. Эти резуль таты показывают динамичность следа памяти и меняющееся функ циональное значение разных областей мозга для процессов памяти в зависимости от интервала времени после обучения, через кото рый 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 отно сительно 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 приобре тению новых.
Можно представить, что след памяти распределен по разным ней ронам, находящимся в различных структурах, и его невозможно пол ностью «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 дру гой 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 обуче ния нейронов позвоночных и беспозвоночных животных уникальным, свойственным только определенным нервным клеткам и реализую щимся только в исключительных условиях? Как показывают факты, приведенные в предыдущих разделах, многие нейроны беспозвоноч ных животных и многие нейроны разных структур мозга позвоночных животных демонстрируют явления ассоциативного обучения в той или иной форме — в виде истинного условного ответа или неспецифи ческого псевдообусловливания. Из анализа научной литературы, по священной данной тематике, следует, что обучаемость нейронов, кото рую исследуют при помощи методов регистрации суммарной актив ности, методом экстраклеточной и внутриклеточной регистрации — типичное событие в ЦНС позвоночных и беспозвоночных. Рассмот рим 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 элект рическую стимуляцию любой точки мозга, а в качестве БС — электри ческое раздражение моторной коры ( в этих опытах условный и безус ловные стимулы подавались в разные области коры через макроэлект роды. В такой ситуации происходило формирование условного отве та. При формировании условных ответов развивается снижение порогов, но в зависимости от биологической значимости безусловного подкрепления это снижение может быть большим или меньшим На пример, в опытах показано, что при сочетаниях электрической стиму ляции зрительной коры с электрической стимуляцией моторной коры формируется условный ответ, который заключается в том, что при действии условного стимула происходит сгибание лапы. Для получе ния 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 значитель ной 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 свидетельст вуют о том, что независимо от того, находится подвергающийся сти муляции элемент в неокортексе, базальном ганглии, таламусе, гипота ламусе, 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, ис пользуемого в качестве УС, меняется в зависимости от частоты при меняемой 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 стиму лов электрической стимуляции разных точек мозга, многие исследо ватели обращают внимание на тот факт, что животные способны отве чать 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 зри тельной 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 сти муляции (2 им/с от 10 им/с).
Таким образом, предъявление двух любых электрических раздра жений, локализованных в разных, а иногда и в одной зоне мозга, при водило к ассоциативному обучению. Конечно, при использовании ме тодов 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 экспери ментах, выполненных на клеточном уровне, демонстрируется возмож ность 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). Дли тельность хранения выработанной связи 15—20 мин. Были сформиро ваны сенсо-сенсорные связи на нейронах миндалины и на нейронах коры, изолированной подрезкой от подкорковых образований. Услов ные 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 ло кальная стимуляция медиатором и проводятся сочетания таких сти мулов, большая часть полученных результатов показывает формиро вание связей по типу сенсо-сенсорных. Ведь неизвестно, какова функциональная роль того или иного постсинаптического хемочув-ствительного участка и неизвестно, какой именно стимул был аде кватным для запуска активности определенного участка электровоз будимой 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 удиви тельно высокую степень пластичности, Практически получается, что при предъявлении любых сочетаний возможно формирование услов ной связи. Например, в опытах Дж. О'Брайна и других ученых (1977) в качестве условного раздражения использовали антидромную сти муляцию 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 измене ниях, происходящих в нейроне, который регистрировался в опыте. В экспериментах Барани и Фехера (1981) в качестве безусловного сти мула 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 сочета ний обнаружили увеличение ответов на УС, которое держалось в течение 3—23 мин. Это изменение обнаружили у 27% всех обследо ванных нейронов пирамидного тракта. Условные пластические изме нения характеризовались специфичностью к ассоциированным раз дражениям. 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 тен денция к исследованию процессов обучения на самых разных моде лях, воспроизводящих временные характеристики процесса обучения, но имеющих больше контролируемых факторов. Предположение о том, что формирование условного ответа связано с локальными изме нениями, развивающимися на одном нейроне, вызвало целую серию работ, авторы которых пытаются УС или БС адресовать прямо в ис следуемый нейрон, тем самым исключая из анализа причин развиваю щихся изменений целый ряд причин. Одним из первых исследований, в котором действие УС и БС максимально приблизилось к обучаемо му нейрону, было исследование И. Буреша и О.Бурешовой (1970). В результате было обнаружено следующее: если предшествующий сти мул, который может затрагивать или не затрагивать данный нейрон, будет постоянно сопровождаться эффективной электрической стиму ляцией этого нейрона, то примерно 10% нейронов неокортекса, гиппо-кампа, таламуса, мезэнцефалической ретикулярной формации способ ны изменить свои свойства. Так, изменения возбудимости, часто свя зываемые с ассоциативным обучением, могут быть обнаружены толь ко на одном нейроне.
Л.Л. Воронин (1970) показал, что на фоне длительной анодной по ляризации нейроны сенсомоторной коры изменяют ответы на предъ являемые сенсорные стимулы. В качестве стимулов использовали зву ковые 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 поля ризацией 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 двига тельной коры, когда условным и безусловным стимулом служили со ответственно надпороговое и подпороговое для развития разрядов электрическое раздражение. Примерно такое же количество обучаю щихся 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) ис пользовали поляризацию анодным током через регистрирующий мик роэлектрод в качестве БС, а в качестве УС применяли звук. Регистри ровали нейроны двигательной коры. На фоне поляризации предъяв ляли 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 некото рых 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 электри ческое раздражение вентробазального комплекса ядер таламуса, в ка честве 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 отме ны раздражения.
В опытах на нейронах имеется тенденция к прямой адресации при меняемых стимулов к исследуемому нейрону, что связано с попытками подойти к проблеме локализации энграммы. Такие опыты помогают понять сущность процесса следообразования. В модельных экспери ментах распространено применение микроионофоретической аппли кации 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 формиро вание условного ответа. При контроле на псевдообусловливание при несинхронизированном предъявлении звука и медиатора иногда воз никали изменения ответов на УС. Но есть существенные различия между изменениями, развивающимися вне сочетаний и при сочетани ях. Результаты одинаковы и для АХ и для глютамата. Контроль пока зывает, что изменения, развившиеся в результате предъявления УС-БС, имеют ассоциативную природу и не связаны с простой сенситиза-цией. Специфичность пластических изменений ассоциируемых раз дражений доказывается меньшей эффективностью этих же раздражений во время псевдообусловливания. Аналогичные данные получены в работах других авторов.
Еще большее приближение воздействующих стимулов к исследуе мому нейрону достигнуто при использовании в качестве УС поляри зации 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 реф лексов. В наших опытах на изолированных клетках также обнару жено, что предварительная стимуляция нейронов сильно отражает ся 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 ней ронов сенсомоторной коры — ведь все исследованные нейроны про демонстрировали феномен «непосредственного обучения». Сравни тельный анализ активности нейронов сенсомоторной коры при ло кальных и системных стимулах показал значительное сходство динамики развития процессов ассоциативного обучения. Доля ней ронов с пластическими перестройками при системном воздействии и при локальных стимулах сильно отличается — при использова нии естественных стимулов процент обучающихся нейронов значи тельно меньше. По-видимому, этот факт показывает, что прямая ад ресация УС и БС к исследуемому нейрону уже является достаточ ной 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 микроап пликацию медиатора ацетилхолина (АХ)-БС, глютамат — УС. Вклю чение УС предшествовало действию БС на 1—2 с. В контрольных экс периментах при несинхронизированном предъявлении медиатора от мечено лишь незначительное снижение амплитуды ответа на УС. Предъявляли 60—100 сочетаний УС-БС. Получены достоверные из менения ответов на действие УС. При перестановке порядка следова ния медиаторов не было отмечено достоверных изменений активнос ти к действию УС. Следует специально отметить, что изменением ре акции на один из стимулов не исчерпывается изменение функцио нального 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 экспе риментах на изолированных нейронах, оказались успешными — они почти всегда приводили к формированию ассоциативной связи, неза висимо от того, использовались ассоциации двух медиаторов или ме диатора 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 сигна лов, используемых в качестве УС и БС, но и при прямой адресации стимулов к исследуемому нейрону. Это приводит к сильному повыше нию уровня обучаемости нейронов. Последние из рассмотренных опытов выполнены на модели, в которой функцию естественных сти мулов выполняют микроаппликации нейромедиаторов на нейрон, или же один из стимулов представлен микроаппликацией, а второй — по ляризацией. Аналогичный путь исследований с целью подхода к про блеме локализации процесса ассоциативного обучения пройден на моллюсках — от полуинтактного препарата, в котором функцию УС и БС выполняют естественные стимулы, до экспериментов на изолиро ванных нейронах, где в качестве УС и БС применяются микроаппли кации нейромедиаторов и деполяризация нейрона через внутрикле точный микроэлектрод. Несмотря на доминирующее в наше время представление о ведущей роли пресинаптических структур в процес сах обучения, последние данные показывают, что нет никаких основа ний 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 сти муляции, ни в наблюдаемой феноменологии, а последние эксперимен ты на изолированных клетках свидетельствуют о том, что в условиях максимально локализованной стимуляции нейронов позвоночных животных, находящихся в цепи, также возможно ассоциативное обу чение, в основе которого лежат локальные изменения возбудимости мембраны. Например, в исследованиях С. Буди и других (1978) пока зано изменение сопротивления мембраны и возбудимости нейрона после обучения. Однако предположение об определяющей роли пост синаптических изменений в обучении подтверждается результатами не которых 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 уп лотнения храктерны только для ассоциативных применений медиато ров, при изолированных презентациях медиатора такие уплотнения не образуются. Авторы рассматривают эти результаты как доказатель ство участия постсинаптических образований в ассоциативном обуче нии нейрона.
Все показатели, используемые при регистрации электрической ак тивности нейронов, естественно, опираются на электрофизиологичес кие характеристики изменений нейронной активности. Тенденция к рассмотрению электрофизиологического эквивалента обучения в ка честве конечного результата, формирующегося на основе некоторых эндонейрональных процессов, прослеживается в работах многих ис следователей. Предполагается, что для длительного сохранения энг-раммы достаточно устойчивого повышения проводимости синапсов, активированных в процессе обучения. Основываясь на интегративных функциях нейрона и рассматривая электрофизиологическую актив ность 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 вни мание, 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. На пример, привыкание, которое было подвергнуто пристальному изуче нию 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 жи вотных на разных ступенях эволюции. Изучение механизмов привы кания и локализации его энграммы прошло такой же сложный путь, как и ассоциативное обучение.
Большое значение для понимания законов формирования нейрон ного пути во время обучения имеют работы с регистрацией латентно го 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 кле ток соматосенсорной коры после формирования условных ответов ла тентные периоды достигают 1200 мс. В слуховой коре и подкорковых системах кошки в процессе выработки условных рефлексов ЛП изме няется 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 про тивоположного направления — укорочение ЛП после формирования условного ответа. В опытах устанавливали жесткие критерии для от бора «обучающихся» нейронов разных структур мозга — к первично обучающимся относили нейроны, у которых условные ответы разви ваются 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 фрон тальная 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 отне сены 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 исследова ний Дж. Дистерхофт и Дж. Олдс (1972). Они предполагают, что в начальный период обучения условный стимул связан с определенны ми проводящими путями, а потом он начинает иррадиировать. При этом развивается изменение эффективности синаптической передачи между пунктами, на которые действуют условный и безусловный сти мулы. В основе экспериментального доказательства этой гипотезы также лежит измерение латентных периодов развития ответа на дей ствующий условный стимул в начале и конце обучения.
Изменение латентных периодов в процессе обучения у нейронов, принадлежащих разным структурам мозга, продемонстрировано в ра ботах многих исследователей, причем найдены как структуры, для ко торых показаны укорочения ЛП, так и структуры, для которых ЛП удлиняются.
2.4.3. Реорганизация нейронной цепи
После обучения при актуализации энграммы через разные интер валы времени после завершения предъявления УС-БС нейронные цепи, осуществляющие реализацию энграммы, изменяются. Одни до казательства 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 дли тельности их сохранения.
По мере упрочения двигательного условного ответа на время, вы рабатываемого у кроликов в процессе сочетания звуковых стимулов с электрокожными раздражениями, определенные структуры мозга включаются в процесс реализации энграммы с определенной последо вательностью. Максимальная выраженность клеточных реакций на УС может совпадать с проявлением стабильных двигательных реак ций, 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 внутрен него коленчатого тела и таламической группы ядер первые условные ответы появились в пределах 30—40 сочетаний. Корковые клетки (пе редней, 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 вы рабатывался у нейронов коры. Но максимальные условные ответы во всех исследованных образованиях развивались примерно через 120— 140 сочетаний. Авторы исследования сделали предположение о лока лизации энграммы. Но как показали результаты опытов Н.Ю. Белен-кова (1980) и Е.Ф. Мордвинова (1982), включение активности отдель ных структур мозга в условно-рефлекторную деятельность и выклю чение из нее являются динамичным, подчиняются никому не известным законам. Мы предполагаем, что таким «организующим за коном» является принцип распределенности энграммы по параметру достижения максимальной активности.
Угашение условных ответов и реорганизация нейронной цепи. Еще одним фактором, на который можно опираться при доказательст ве изменения состава нейронной цепи, опосредующей актуализацию энграммы в определенное время после обучения, являются результа ты 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 большин ства нейронов различных корковых и подкорковых структур угаше ние 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 про тивоположность 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 уга шении поведенческого проявления условного ответа. Нейроны лате рального гипоталамуса и преоптической области заняли промежуточ ное положение между нейронами ретикулярных структур и гиппокам па. 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 разви тия инактивации следового эффекта при неподкреплении условного стимула. Ответы полностью изолированных нейронов показывают, что эти различия скорости угашения сохраняются в условиях отсутст вия 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 перей дет в инактивированное состояние на одних нейронах, она будет ос таваться 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 индивиду альных свойств нейронов, как это показывают опыты на изолирован ных клетках.
Факт реорганизации нейронных цепей, реализующих воспроизве дение энграммы, находящейся в активном состоянии, подтверждается следующими данными, разной скоростью обучения нейронов различ ных структур, изменениями латентных периодов на действие условно го стимула до проведения обучения и после его завершения, разной скоростью угашения условного ответа при неподкреплении на нейро нах 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 ло кализации, а считывается с нейронов разных структур мозга в зависи мости от обстоятельств, подтверждено экспериментами. Факты, полу ченные в результате опытов, указывают на принцип распределенности энграммы как на основу организации памяти. «Познавая нейрофизио логическую специфичность мозговых структур, обусловленную осо бенностями переработки афферентного для данной области носите лем информации, мы считаем правильным говорить не о единствен ном функциональном фокусе при реализации мнестической функции, а об их определенном множестве с широкой мозговой топографией. Приведенные данные говорят о динамичности пространственного рас положения фокусов. В процессе выполнения животными отсроченной задачи происходит их пространственное перемещение, блуждание, так что конфигурация ансамбля активно действующих мозговых образо ваний не остается застывшей, а экстренно меняет свою пространствен ную структуру в зависимости от потребностей регуляции целостного поведения в данный отрезок времени»1. Это дает основание для при нятия принципа динамичности в организации морфофункциональной системы обеспечения процессов кратковременной памяти. Этот прин цип предполагает нестабильность самой системы во времени. Неста бильность определяется текущими изменениями функциональной значимости образующих систему мозговых структур в ходе реализа ции энграммы. Топография функциональной части системы, обеспе чивающей воспроизведение, может меняться на каждом отрезке вре мени. Мы предполагаем, что эти изменения связаны с достижением максимума актуализации энграммами других элементов, расположен ных 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 вре мени, являются также результаты опытов, в которых показана взаимо связь 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 ас социативного обучения, так что после определенного количества сочета ний условного и безусловного стимулов формируется энграмма, дости гающая уровня актуализации по электрофизиологическим показателям. На других нейронах было найдено отсроченное достижение оптимально го уровня выраженности по электрофизиологическим показателям1. Это происходит через различное время после обучения на разных нейронах и, по-видимому, является их биологическим свойством, которое опреде ляется 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 макси мальной воспроизводимости следа памяти на разных нейронах, «обу ченных» в одной и той же ситуации, при выполнении нескольких серий обусловливания, то вскроется удивительный факт: клетки, по казывающие максимальное воспроизведение сразу после обучения, будут сохранять энграмму в активном состоянии в течение более дли тельного времени. Клетки, достигающие наивысшего состояния ак тивности следа через некоторое время после завершения обучения, с каждой следующей серией будут отодвигать пик активности все даль ше, а след будет оставаться активным в течение все более длительного времени. Таким способом продлевается активная «жизнь» следа памя ти 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. Энг рамма становится неактивной, переходит в латентное состояние и ждет «напоминания», которое при помощи неизвестных пока меха низмов выведет ее на уровень актуализации.
3. Процедурная и декларативная память
В последние годы стала приобретать большое значение информа ция о разных формах памяти. Помимо кратковременной и долговре менной памяти, у человека существует еще по меньшей мере две раз ные 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 сис темы памяти зависит от особенностей сведений, которые нужно запо мнить. Для запоминания большей части ситуаций вовлекается не сколько систем памяти. Они имеют разные оперативные характерис тики, участвуют в приобретении знаний разного рода и осуществля ются разными мозговыми структурами. Л. Сквайр и другие (1993) предположили, что переработка по крайней мере двух видов инфор мации 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, позво лили 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 па мять основана на биохимических и биофизических изменениях, про исходящих только в тех нервных сетях, которые непосредственно уча ствуют в усвоении нового материала.
Декларативная память обеспечивает ясный и доступный отчет о прошлом индивидуальном опыте. Память на события и факты вклю чает 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 при чиной амнезии. Декларативная память связана с перестройкой нерв ных 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 па мяти структуры и связи включают медиодорзальные ядра таламуса, передние ядра, маммило-таламический тракт, внутреннюю медулляр ную пластинку.
Но понятие о декларативной памяти требует различных уточне ний и ограничений и поэтому вводится понятие недекларативной па мяти, включающей группу фактов, которые не описываются понятия ми 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 па мять охватывает несколько видов памяти и зависит от множества моз говых систем. Сейчас ясно, что множественные формы памяти под держиваются определенными мозговыми структурами и имеют раз ные характеристики.
4. Биохимические и молекулярные механизмы
памяти
Исследования биохимической природы этапов формирования памя ти проводятся в основном с использованием ингибиторов синтеза проте инов и различных фармакологических веществ, избирательно подавляю щих определенные метаболические процессы нервных клеток. Наиболее распространенным методом является введение веществ животным в раз ное время после обучения, анализ различных нейрофизиологических фе номенов с биохимическими реакциями определенных видов, определе ние 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 оп ределенном 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 не однозначны, а основные выводы суммированы в обзорных статьях Они заключаются в следующем:
четливый характер по сравнению с аналогичным нарушением памяти при введении ингибитора перед обучением. Возможность ингибито ров вызывать нарушения памяти тем меньше, чем больше времени проходит от момента обучения до момента начала действия ингибито ра.
Экспрессия генов и память. Биохимические и фармакологические исследования установили универсальную зависимость долговремен ной памяти от активации генетического аппарата нервных клеток. У высших эукариот изменения транскрипции в ходе развития могут со храняться на длительное время, вполне сопоставимое с продолжи тельностью хранения долговременной памяти. Большинство долго временных изменений экспрессии генов в клетках млекопитающих происходит за счет регуляции транскрипции. Представление о том, что кратковременная память не затрагивается действием ингибито ров, распространено среди исследователей. Пока отсутствуют доста точно четкие и экспериментально подтвержденные данные о взаимо связи синтеза белков и обучения. Результаты исследований по этой проблеме чрезвычайно пестры и противоречивы. Также необходимо учесть, что применяемые ингибиторы влияют на синтез белков, осу ществляемый традиционным образом. Сейчас изучаются и нетради ционные 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 пер выми часами его хранения. Индуцированный обучением синтез ДНК в неокортексе избирательно связан с последовательностями ДНК, по вторенными в геноме 10—20 раз. Предполагается, что этот синтез свя зан 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 изуче ния механизмов геномного ответа на действие факторов роста, запус кающих 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 транс крипция запускается механизмами, заранее готовыми для восприятия экстраклеточных стимулов. Характерной чертой данного механизма регуляции транскрипции является его двухфазность. На первой ста дии экстраклеточные сигналы запускают активацию ранних генов, а затем кодируемые этими генами транскрипционные факторы изменя ют экспрессию поздних генов, вызывая изменения программ деятель ности клетки в ходе клеточного цикла и дифференцировки. Однако данный механизм возник в эволюции достаточно давно и не ограничи вается 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 се мейства «ранних» генов — c-fos и с-]ип. Экспрессия обоих генов зату хает 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 пове денческих ситуаций для животного и с возникновением у них ориен тировочно-исследовательского поведения. Этот механизм, вероятно, имеет универсальное значение, поскольку он активируется в разных ситуациях новизны и у разных видов животных. Анализ связи экс прессии гена c-fos с показателями индивидуального поведения мышей при обучении активному избеганию свидетельствует о том, что акти вация экспрессии данного гена не зависит от того, успешны или нет попытки животного избавиться от ударов тока. Поэтому можно пред полагать, что индукция c-fos при обучении происходит при любых новых поведенческих актах. Обучение вызывает экспрессию в нерв ной системе тех генов, с которыми прежде связывали функцию регу ляции 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 молеку лярных моделей памяти ее основой является двухфазность адаптив ного ответа: новизна и рассогласование приводят к активации каскада «ранних» регуляторных генов, кодирующих транскрипционные фак торы. 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 оказыва ются общими для обучения и развития мозга.
Электрофизиология и биохимия. Большое внимание обращено на изучение синаптических мембран и их роли в передаче, фиксирова нии и хранении информации. Мембрана может рассматриваться как двойной модификатор в передаче информации. Во-первых, состояние мембраны определяет чувствительность к стимулу. Во-вторых, пере стройка мембраны после получения сигнала определяет силу, специ фичность 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 синапти ческих мембран. И кратковременная, и долговременная память зави сят 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, доста точно высок. Поэтому накопленные факты позволяют успешно изу чать целенаправленное воздействие на синтез протеинов и других спе циализированных веществ на привыкание, ассоциативное обучение и другие разнообразные формы пластичности нервных клеток. Наибо лее интересны результаты опытов, связанных с изучением пластич ности по показателям электрической активности нейронов и ее изме нений под воздействием веществ, избирательно влияющих на метабо лические процессы нервных клеток.
Есть попытки разделить электрофизиологическую феноменоло гию по этапам становления следа памяти на основе выявления ее чув ствительности к действию ингибиторов синтеза протеинов. Напри мер, исследования Е.Н. Соколова и А.Г. Тер-Маргарян (1984) показа ли, что применение анизомицина затрагивает только долговременное хранение энграммы привыкания. Проводилась длительная регистра ция электрической активности идентифицированного нейрона. При выкание прослеживалось в течение нескольких суток как в условиях нормы, так и после введения в омывающий раствор анизомицина.
Предполагается, что в основе долговременной памяти лежат дол говременные изменения хемореактивных свойств мембраны нейро нов. Проверка этого предположения приводит к необходимости про дления 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 исследова ниях Э. Кендела (1980) продемонстрировано сохранение привыкания в течение еще большего времени — также при контроле за величиной синаптических потенциалов. В условиях формирования аналога ус ловного рефлекса — гетеросинаптической фасилитации — показано сохранение феномена, определяемого по амплитуде синаптических потенциалов, в течение 42 часов. В исследованиях динамики форми рования условного ответа на позвоночных животных при контроле феномена по числу ПД также показано длительное сохранение услов ного ответа, достигающее нескольких часов.
Эти результаты поддерживают предположение о том, что хеморе-активные мембраны могут обеспечить длительно наблюдаемые плас тические перестройки электрической активности нейронов. Это пред положение опирается также на эксперименты, в которых осуществля ется прямой контроль состояния хемочувствительной мембраны, а именно на опыты, в которых в качестве условного стимула использу ют микроаппликации медиатора на хемочувствительные локусы ис следуемого нейрона. Аналогичные результаты получены и в других экспериментах, когда в качестве безусловного подкрепления применя ли микроаппликации медиатора, а в качестве условного — индиффе рентный раздражитель. Эти результаты позволяют рассматривать длительно сохраняющиеся изменения хемочувствительных мембран нейронов в качестве одного из реальных механизмов, обеспечиваю щих длительное сохранение энграмм.
Введение ингибитора анизомицина оказалось эффективным в опытах — пластичный синапс, демонстрировавший привыкание, пре вратился в непластичный. Ингибитор не вызывает изменений основ ных нейрофизиологических показателей работы клетки — уровня мембранного потенциала, генерации потенциалов действия, паттерна пейсмекерной активности, синаптической передачи. Участие немат ричного синтеза РНК в привыкании показано в работах Л.Е. Цито-ловского и А.А. Краевского (1982). Исследовалось влияние на выра ботку привыкания различных воздействий, направленных на синтез белков и РНК. Привыкание оценивалось по порогу генерации потен циалов действия. Согласно результатам этих исследований, привыка ние связано с нематричным синтезом РНК и не затрагивается при действии ингибиторов синтеза протеинов. Этот результат чрезвычай но важен при сопоставлении с результатами других работ, в которых введение ингибиторов оказалось эффективным по отношению к дол говременной 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 гетеросинап тической фасилитации, развития долговременной потенциации суще ственное значение имеет уровень цАМФ.
Большое значение для исследований тонких биохимических меха низмов обучения имеют работы по изучению регулирующей роли ионов кальция, который принимает непосредственное участие в фор мировании определенных пластических реакций нейронов. Большую роль играют ионы кальция в развитии привыкания электровозбуди мой мембраны и ассоциативного обучения. По предположению Кос-тюка и других (1984), кальций осуществляет взаимосвязь между мета болизмом нейрона и его мембраной, являясь метаболически зависи мым компонентом клеточной проводимости.
Опыты по долговременному привыканию свидетельствуют об от сутствии отличий нейрофизиологических показателей существования следа памяти на предполагаемых этапах кратковременного и долго временного хранения; качественно электрофизиологическая актив ность одинакова. Е.Н. Соколовым и его коллегами (1984) выдвигается предположение о том, что в основе долговременной памяти лежат дол говременные изменения хемореактивных свойств мембраны нейро нов. Это предположение опирается также на эксперименты, в которых осуществляется прямой контроль состояния хемочувствительной мембраны. Результаты позволяют рассматривать длительно сохра няющиеся изменения хемочувствительных мембран нейронов в каче стве одного из реальных механизмов, обеспечивающих длительное со хранение энграмм.
Одним из перспективных подходов к изучению механизма памя ти является анализ взаимосвязи электрогенеза и метаболизма белков нейронов в процессе обучения. Наиболее удобным объектом для решения этих проблем являются моллюски: большие размеры нейро нов, возможность их идентификации от препарата к препарату, спо собность животных к выработке условных рефлексов позволяют изучать функционирование конкретных элементов условно-рефлек торной сети с дальнейшим их биохимическим анализом. Для выпол нения таких исследований исключительные возможности возникают при использовании гигантских нейронов виноградной улитки. В те чение ряда лет проводились работы по изучению биохимических ме ханизмов формирования условного оборонительного рефлекса у Helix pomatia. Рефлекс хорошо изучен на поведенческом и клеточном уровнях. Наличие гигантских командных нейронов, способных за пускать целостную оборонительную реакцию и являющихся элемен-
156
Глава II Психофизиология памяти
4 Биохимические и молекулярные механизмы памяти
157
тами пластичности данного рефлекса, позволяет производить целена правленный поиск информационных макромолекул, связанных с обу чением. Условным стимулом (УС) служило легкое постукивание по раковине. Безусловным (БС) — интенсивное вдувание воздуха в ды хательное 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 исто рии науки этому посвящена целая глава биохимических и физиологи ческих исследований. В настоящее время показано, что при долговре менном 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 цито плазмой 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 инте рес представляют наиболее кислые низкомолекулярные белки. На всех изученных стадиях формирования оборонительного условного рефлекса наиболее интенсивное включение метки наблюдается имен но в эти белки.
Новые данные о взаимосвязи этих белков с обучением идентифици рованных нейронов моллюска получены в исследованиях Л.Н. Грин-кевич (1992). Исследователям удалось установить, что повышенный уровень синтеза белков наблюдается даже спустя 24 часа после обуче ния на стадии закрепления условной связи. Так как интенсивное включение метки в белки с Ri = 1 не сопровождается достоверным рос том их количества, можно предположить возможности их перехода из цитоплазмы в другие клеточные структуры. Не исключена также воз можность 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 пеп тидов 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 взаимодейст вие с определенными клетками-мишенями реализует запуск целост ной реакции. Не исключена возможность существования'Подобного класса пептидов для реализации запуска целостной реакции оборони тельного поведения виноградной улитки. Клетками-мишенями в дан ном случае могут выступать командные нейроны оборонительного рефлекса, генерация спайковой активности в которых приводит к за пуску оборонительной реакции. В то же время эти же пептиды могут вызывать торможение командных нейронов пищевого поведения. Ги перполяризация командных нейронов связана с реализацией оборо нительного поведения.
В настоящее время у улитки выделен пептид, аппликация которо го на сому изолированного нейрона, не проявляющего спонтанной электрической активности, вызывает генерацию спайка. Известно, что командные нейроны оборонительного поведения являются латентны ми 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 ус ловных, оборонительных рефлексов, и в эти же сроки начинается экс прессия кислых нейроспецифических белков, изменяющихся в про цессе обучения.
По современным представлениям, фосфорилирование белков К-каналов посредством протеинкиназы-А лежит в основе пластических изменений возбудимости. При этом происходит транслокация из мем браны 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 фосфо рилирование белков. При этом весь каскад запускается серотонином, которому отводится ведущая роль в инициации оборонительного по ведения. В экспериментах in vitro показан резкий рост количества белка Rt =58 в водорастворимой фракции ЦНС, инкубируемой с серо тонином. Эти результаты позволили высказать предположение о связи данного белка с системой цАМФ-зависимого фосфорилирова-ния. Результаты серии работ по онтогенезу, показывающие корреля цию появления белка Ri=0,58 с формированием механизмов поведен ческой и клеточной сенситизации, лежащей в основе образования обо ронительного условного рефлекса, позволили высказать предположе ние 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 плас тических перестройках при обучении.
Другое направление поиска нейробиологических основ памяти представлено работами, выполненными с использованием экстракле точной 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 электро физиологических коррелятов на стадии кратковременной и долговре менной памяти. Но выявление закономерностей формирования энг-раммы помогает подойти к вопросу о нейрофизиологических показа телях 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 пласти ческими феноменами. Поэтому возникают попытки сопоставлять длительности разных этапов фиксации памяти с длительностью оп ределенных электрофизиологических пластических явлений. Напри мер, 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 внутрикле точная регистрация электрической активности не выявляет специфи ческих 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 крат ковременному хранению.
Работы по изучению долговременного привыкания показывают, что нет отличий нейрофизиологических показателей существования следа памяти на предполагаемых этапах кратковременного и долго временного хранения, качественно электрофизиологическая актив ность, обеспечивающая кратковременные и долговременные эффек ты, 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 кле ток. Однако из-за отсутствия глобальной теоретической'концепции эти результаты мало используются для анализа структуры памяти на уровне нейрофизиологических явлений. Исключительно перспектив ным становится привлечение этого громадного экспериментального материала для нейрофизиологического и биохимического уровня ана лиза следов памяти с позиций состояния энграммы как показателя готовности к воспроизведению.
Раскрытие механизмов памяти — одна из сложнейших проблем современных исследований, решение которой невозможно без ком плексных биофизических, биохимических и физиологических иссле дований функционирования клетки и клеточных ансамблей.
Глава III Ритмы Функциональные сое юяния
161
Глава III. Ритмы. Функциональные состояния
В течение миллионов лет эволюционного развития шел процесс не только постоянного усложнения и совершенствования структурной ор ганизации живых систем, но и процесс их временной организации. Орга низация жизнедеятельности во времени так же важна, как и организация в пространстве. Адаптация развивалась не через подстраивание к посто янно меняющимся условиям жизни каких-то отдельных органов, а через скоординированные между собой во времени и пространстве специали зированные функциональные системы. Поэтому в настоящее время с по мощью 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, ко торые видоизменят их активность на протяжении суток, лунного ме сяца 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 рит мами, они запрограммированы генетически и находятся под контро лем 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 ин формации о времени суток.
Все ритмы — это генетически запрограммированные приобретения эволюции, позволяющие организму адаптироваться к окружающей среде. Однако программа не есть нечто жесткое: она позволяет орга низмам 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 темно ты — 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 подозрева ем — таковы, например, гормональные приливы и отливы, циклы бы-
11-1015
162
Глава III. Ритмы. Функциональные состояния
строй и медленной активности мозга, циклические колебания темпе ратуры 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, свя занные 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.) — древнегречес кому поэту, который сказал: «Познай, какой ритм владеет людьми». Одна из новых и быстро развивающихся современных наук — ритмо-логия, или хронобиология — наука, изучающая циклические биологи ческие процессы, имеющиеся на всех уровнях организации живой системы. Основное внимание уделяется тем ритмам, которые сложи лись в ходе эволюции как приспособление к периодической среде, за креплены в генетической структуре и могут использоваться организ мами 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 периоди ческими факторами среды. Это класс циркаритмов. На основе резуль татов многочисленных исследований складывается картина многоос-цилляторной структуры биологических систем, которая находится под контролем центральных пейсмекеров. Биологические часы, ответ ственные за циркадианные (околосуточные) ритмы, видимо, регули руются нервными клетками передней области гипоталамуса — разру шение этой области у крыс ведет к утрате ритма активности.
Интерес к биоритмам не ограничивается только стремлением уз нать, как функционируют живые существа. Сведения об уровне синте за определенных веществ в организме могут подсказать, например, какое время дня наиболее благоприятно для приема определенных ле карств. 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 пос ледствий 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, во доросли 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, выле зали 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 эксперимента торы смогли сделать заключение об уровне воды на берегу океана, ко торый находился на расстоянии более 27 миль. Поведением водорос лей управляли биологические часы, настроенные на лунное время.
Исследователи пытаются выяснить, какова функциональная орга низация ритма, где находятся структуры, задающие ритм (пейсмеке-ры), и каков физиологический механизм их действия, какие клеточ ные 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 рассматри вать как биологический ритм. Биологические ритмы охватывают ши рокий диапазон периодов — от миллисекунд до нескольких лет. Их можно наблюдать в отдельных клетках, тканях и органах, в целом ор ганизме 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 раз ные внутренние механизмы. Ритмы можно подразделять по их собст венным характеристикам, таким, как период, по биологической систе ме, 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 се зонные ритмы биологических систем. На нескольких видах показано, что каждый из этих ритмов может поддерживаться в изоляции от со-
От лат cirka — около.
I
11*
164
чавд III Ритмы Функциональные сое юяния
1 Тины ритмов
165
ответствующих внешних циклов самостоятельно. Ритм в таких усло виях протекает свободно, со своим собственным естественным перио дом. 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, порож денным периодичностью среды. Включая в свою собственную органи зацию подобия внешних геофизических циклов, организм приобрета ет устройство для измерения времени — биологические часы.
Ритмы с разными периодами могут быть различным образом взаи мосвязаны. Хорошо известна модуляция ритма сердечных сокраще ний 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. Во прос в том, каким образом могут быть связаны ультрадианные и цир-кадианные ритмы. Действительно ли 90-минутный ритм, установлен ный для чередования быстрого и медленного сна, продолжается во время бодрствования. Действительно ли существует фундаменталь ный цикл активности — покоя?
Для физической среды, в которой обитают живые организмы, ха рактерны периодические изменения, обусловленные движением Земли и Луны относительно Солнца. Жизнь с момента своего возник новения на протяжении нескольких миллиардов лет должна была приспособиться к интенсивным суточным и годовым колебаниям ос вещенности и температуры. Приливные ритмы стали оказывать влия ние на жизнь с того времени, как была заселена прибрежная полоса. На суше к периодам изменения освещенности и температуры добави лись колебания влажности и других факторов. Эти геофизические циклы постоянно бросали вызов живым организмам. С другой сторо ны, исключительная стабильность геофизических циклов, основанная на законах небесной механики, предоставила животным удобную воз можность. Предсказуемость изменений позволяла использовать в ка честве 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 определенно му периоду суток. Появившиеся описания анатомии циркадианной системы позволили экспериментально разрешить многие вопросы ее функциональной организации. У моллюска Aplysia и таракана посте пенно становится понятным сопряжение между двусторонними пар ными осцилляторами циркадианной системы. Были проведены иссле дования 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 не сложной нервной системой и крупными идентифицированными ней ронами.
Ритмы с периодом, примерно равным продолжительности суток, называются циркадианными, или околосуточными. Цикл сна и бодр ствования у человека, суточные колебания температуры тела, кон центрации гормонов, мочеотделения, спады и подъемы умственной и физической работоспособности — это все примеры циркадианных ритмов. Существование внутреннего циркадианного ритма было под тверждено французским спелеологом Мишелем Сифром (1982), кото рый провел около 60 дней в пещере на глубине нескольких сот метров под землей. С поверхностью у него была установлена только радио связь для регистрации периодов сна и бодрствования. Активность его мозга регистрировалась соответствующими приборами. Было подсчи тано, что средняя продолжительность цикла сна и бодрствования на протяжении всего эксперимента составила около 25 часов. В анало гичных 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 аркти ческой ночи. Но этот же ритм ответствен за расстройства, возникаю щие у людей, перелетевших на самолете с одного континента на дру гой; «внутренние часы» этих пассажиров полностью придут в соответ ствие 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 пребыва ют в состоянии полного покоя. Этот годичный цикл относится к ин-фрадианным ритмам.
У цирканнуальных ритмов период близок к одному году. Они по зволяют 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 уменьша ется.
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 препара ты, 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 кле ток используемых препаратов, так как изучение источников генера ции циркадианных ритмов, естественно, требует многочасовых экспе риментов.
Один из хорошо изученных многоклеточных организмов — мол люск Aplysia californica, жизнь которого регулируется тихоокеански ми приливами. Aplysia — очень удобный объект для исследований, так как ее крупные нейроны идентифицированы, их связи и функции из вестны. Глаз этого моллюска весьма сложен и морфологически и функционально. Активность глаза проявляется в виде составных по тенциалов действия, регистрируемых в зрительном нерве, которые могут возникать как спонтанно, так и под влиянием света. Если глаз изолировать, то частота и амплитуда составных потенциалов дейст вия, регистрируемых в зрительном нерве, будет демонстрировать цир-кадианный ритм в течение нескольких дней. Фаза наибольшей актив ности глаза соответствует времени субъективного утра. Следователь но, 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, помес тить в ванночку с морской водой и выдерживать в абсолютной темно те, то их импульсация останется такой же, как если бы они находились внутри живого организма. Очевидно, ритм этих нейронов, помогаю щий организму согласовывать суточные циклы питания и покоя со сменой дня и ночи, приливами и отливами, регулировался процесса ми, 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 рит мом. 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 найде ны в записи активности нервных корешков изолированных ганглиев. Ф. Штрумвассер (1964) наблюдал такой ритм при непрерывной реги страции активности перикардиального нерва, отходящего от абдоми нального 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 изолирован ные 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 вы делить колебательные клетки при помощи хирургического удаления частей глаза дали противоречивые результаты. Значительные усилия были направлены на то, чтобы показать, что отдельный идентифици рованный нейрон — R15 — в абдоминальном ганглии является цирка-дианным колебателем. Но вполне убедительных данных пока полу чить 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 систе мы моллюсков — аплизии, виноградной улитки — позволяет получить препараты, которые сохраняют присущий им в определенных услови ях ритм генерации потенциалов действия после физического преры вания их связей с системой. Опыты показывают, что некоторые иден тифицированные нейроны способны сохранять постоянный паттерн электрической активности в течение многих часов. При этом пейсме-керная активность нейрона может быть как регулярной, так и группо вой. Исследования доказывают, что пейсмекер — это эндогенный ритм. Из опытов на изолированных нейронах — носителях «часов» ор ганизма, становится ясно, что генерация внутренних ритмов является
168
Глава III Ритмы Функциональные состояния
3 Пснхофизиолошя функциональных состояний
169
функцией определенного класса нейронов (пейсмекеров), ритм зада ется специализированными нервными клетками, а не является функ цией системы элементов. Система реализует то, что должно разви ваться 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, утра та ритма при каком-то повреждении — вовсе не результат разруше ния колебателя.
Это затруднение преодолевается при использовании другого ме тода — пересадке тканей. Была выполнена работа, в которой доста точно 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 выде ления 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 вос станавливал 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 функ цию, мозг перед трансплантацией разделяли на части. Результаты по казали, что лишь интактные церебральные доли создавали условия для выхода имаго. Это позволило сделать вывод о том, что колеба тель расположен в боковых участках церебральных долей. Экспери менты 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 проде монстрировано на беспозвоночных — например, на моллюске Aplysia. Доказано, что любой глаз при изоляции может самостоятель но поддерживать циркадный ритм. Данные, полученные на тарака нах, также указывают на двустороннюю парную колебательную сис тему: каждая из двух зрительных долей независимо от другой способ на поддерживать ритмичность. Сходные результаты получены и на жуках.
3. Психофизиология функциональных состояний
е
Восприятие событий в значительной степени зависит от нашего состояния — от того, напряжены мы или нет, возбуждены или спокой ны. Наше восприятие внешнего и внутреннего мира изменяется на протяжении дня в зависимости от уровня бодрствования и от готов ности к восприятию сигналов. Д. Хебб (1955) попытался проиллю стрировать это графически: по мере усиления активации организма уровень бодрствования возрастает, но при этом адаптация, возможная благодаря бодрствованию, начиная с какого-то момента может ухуд шиться, если активация чрезмерно возрастет. Исследования, выпол ненные с использованием регистрации электроэнцефалограммы (ЭЭГ), показывают, что для бодрствования, сна и промежуточных со стояний типичны определенные ритмы мозга.
Электроэнцефалография (ЭЭГ) — техника для регистрации и ана лиза электрической активности мозга. У человека определенные моз говые структуры включены в регуляцию состояний сна и бодрствова ния, в регуляцию реакции активации, когда действуют такие эмоцио нально значимые факторы, как поощрение, наказание или другие. Многое в нашем понимании функций этих систем и их взаимодейст вия 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 воз можности регистрации электрической активности мозга. Такая реги страция включает усиление очень слабых нейроэлектрических сигна лов, которые затем подвергаются компьютерной обработке и анализу. ЭЭГ делает возможным получение паттернов колебаний мозговой электрической активности, которые развиваются, когда клетки пере дают сигналы и обрабатывают получаемую информацию. Нервные клетки мозга генерируют электрические импульсы, которые, сумми руясь, образуют определенные паттерны ритмической активности. В 1929 г. Ганс Бергер в Германии изобрел электроэнцефалограф, при бор для измерения и регистрации этих ритмов головного мозга. Реги страция электрической активности мозга и ее анализ привели к выде лению такого научного направления, которое и получило название электроэнцефалографии (ЭЭГ).
Чтобы зарегистрировать ЭЭГ, необходимо на коже головы распо ложить два электрода. Каждая пара электродов отводит сигнал по одному из нескольких регистрируемых каналов ЭЭГ. Этот сигнал от ражает 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, независи мо от каких-либо внешних воздействий. Последовательности измене ния 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 регу лярная электрическая активность мозга, частота которой около 10 Hz (Герц), особенно ясно выраженная в зрительных отделах мозга. У большинства людей альфа-ритм появляется, когда человек расслабля ется и закрывает глаза. Отсутствие такой ритмики обычно рассматри вается как признак реакции активации — десинхронизации альфа-волн. Когда человек возбужден или насторожен, альфа-волны замеща ются 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 последо вательность 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 от крывает 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 ис следованием механизмов ритмической активности мозга, поиском структур и элементов, задающих определенный ритм, а также спосо бов синхронизации активности нервных клеток. Другое направление связано с использованием ЭЭГ для диагностики функциональных со стояний.
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 чело века успешность его труда, обучения, творчества, физического и пси хического здоровья зависит от его функционального состояния. Дея тельность не существует отдельно от состояния. Функциональное со стояние — непременная составляющая любой деятельности и поведе ния. Всем хорошо известна зависимость эффективности деятельности от функционального состояния (ФС). Это соотношение обычно пред ставляют колоколообразной кривой, показывающей, что наилучшие результаты деятельности как при исполнении, так и при обучении со ответствуют некоторому среднему значению, которое получило назва ние оптимального функционального состояния. Сдвиг ФС в сторону от оптимального независимо от его направления сопровождается сни жением результатов выполняемого физического или психического действия.
Наиболее часто функциональное состояние определяют как фоно вую 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 физиологичес ких реакций — частоты пульса, величины кровяного давления, часто ты и глубины дыхания, кожно-гальванической реакции (КГР) и раз личных 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 улучша ет 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 экспе риментальные данные свидетельствуют, что модулирующие влияния в ЦНС играют не менее важную роль для процесса обучения, чем под крепление. Исследование ретикулярной формации с ее активирующи ми отделами, а также лимбической системы, от которой зависит моти-вационное возбуждение, дает основание связывать их с особым клас сом систем, выполняющих функции модуляции в мозге. Функцио нальное состояние является тем результатом, который достигается при конкретном взаимодействии таких систем. Поэтому функцио нальное состояние следует рассматривать как особое психофизиоло гическое 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 ис следователями задачу изучения собственно нейрофизиологических механизмов обеспечения и регуляции ФС, в частности, уточняется значение и роль механизмов, регулирующих функциональные состоя ния, 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 регуля ции 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 про снуться.
Определяющая роль функциональных состояний проявляется не только в успешности или неуспешности различных видов деятельнос ти, но и в формировании функциональных систем, обеспечивающих реализацию определенных видов поведения. Так, в опытах была пока зана необходимость модулирующих влияний из ретикулярной форма ции 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 необхо димая составляющая любого вида деятельности и поведения. Всякие нарушения, возникающие в пределах неспецифического входа к спе цифическим, интегративным и исполнительным системам мозга, ведут к дезорганизации поведения, как приобретенного в течение жизни, так и врожденного. Сохранность нервных связей, определяю щих паттерны конкретного поведения, еще не гарантируют его реали зацию. Для мотивированного поведения необходима также сохран ность модулирующей системы мозга. Результаты экспериментов за ставляют 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 внутри клеточной регистрации, показывают, что паттерн отражает соотноше ние натриевой и кальциевой проницаемости мембраны и является су щественной характеристикой селективного каналообразования.
Применение идентифицированных нейронов в опытах по изуче нию механизмов памяти позволило обнаружить весьма интересный феномен: возможность пластического преобразования исходной реак ции у одного и того же нейрона при одном и том же уровне мембран ного потенциала (МП) и одинаковой интенсивности электрического раздражения в разных опытах различна. Почему же в одной и той же экспериментальной ситуации на идентифицированном нейроне полу чаются разные результаты обучения? Оказывается, обучаемость ней рона 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 раз вития постсинаптических потенциалов. Каким же фактором регули руется функциональное состояние нейрона? В обычных нейрофизио логических опытах этот регулирующий фактор ускользает от контро ля 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 обеспечива ет разные аспекты деятельности нейрона. В этом отношении особен но интересен анализ развития пластических эффектов, возникающих во время обучения нейронов. При повторном предъявлении электри ческих внутриклеточных импульсов тока наиболее быстро привыка ние развивалось у нейронов, исходная активность которых имеет кальциевую природу. Нейроны промежуточного типа имеют смешан ные ответы, в обеспечении которых принимают участие ионы каль ция и натрия, а не привыкающие клетки демонстрируют полностью зависимые от натрия ответы. Следовательно, в зависимости от состо яния кальциевой и натриевой проводящих систем мембраны привы кание у одного и того же нейрона протекает с разной эффективнос тью. Можно было бы считать, что пластичность исходной реакции нейрона при повторных предъявлениях электрических стимулов це ликом определяется состоянием кальциевой системы проводимости. Однако опыты, выполненные при отсутствии кальция в физиологи ческом растворе, показывают, что возможны определенные пласти ческие преобразования исходной реакции — в этом случае привыка ние развивается в основном по амплитуде ПД. Функциональное со стояние нейрона определяется соотношением натриевой и кальцие вой 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 ок ружения.
Трудно установить истинную продолжительность сна у животных. Существовало представление о том, что меньше спят животные, у ко торых удельный вес головного мозга по отношению к весу спинного мозга минимален. Обезьяны — животные, ближе всего стоящие к че ловеку, 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 недол го дремлют днем после еды. Перед сном у них наблюдается агрессив ное состояние; сон прерывистый, через каждые два-три часа наступает
Г
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 ак тивность которых приходится на определенную часть суток. Ночное бодрствование имеет в своей основе два фактора. Первый — эволюци онный — у животных, для выживания которых было целесообразно приспособиться к ночной активности. Второй — физиологический — у животных, для которых раздражителем, активатором нервной систе мы служит дневной свет. Характеру активности соответствуют и веге тативные ритмы, колебания отдельных показателей при этом очень велики. Так, температура тела летучих мышей в период бодрствова ния 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). Чело век засыпает не постепенно, а сразу — переход от состояния бодрство вания к состоянию сна совершается мгновенно. Это было показано У. Дементом. Суть его опытов заключалась в следующем: испытуемый должен был попытаться заснуть, несмотря на воздействие раздражи телей. Он лежал с открытыми глазами, через каждые одну-две секун ды давали световую вспышку; испытуемый должен был при виде вспышки каждый раз нажимать на кнопку. Постепенного угасания ре акции 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 прохо дит различные стадии: за медленноволновым сном следует сон друго го типа — парадоксальный. Эта последовательность повторяется в каждом из пяти циклов длительностью примерно по 90 минут, обыч ных 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 тече ние 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 дыха ния 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 мак симальной степени восстанавливает физические силы. Однако неко торая реактивность сохраняется и во время сна; по-видимому, многие люди способны просыпаться в намеченный час или просто при произ несении их имени. «Медленный» сон в свою очередь подразделяется на несколько стадий, выделенных на основании изменений ЭЭГ и от личающихся по глубине. В 1-й стадии (дремоте) исчезает основной биоэлектрический ритм бодрствования — альфа-ритм, он сменяется низкоамплитудными колебаниями различной частоты; 2-я стадия (по верхностный сон) характеризуется регулярным появлением веретено образного 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 мед ленные 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 силь ные звуковые раздражители. Во время медленного сна снижается мы шечный тонус, становятся регулярными и урежаются дыхание и пульс, отсутствуют движения глаз. Во время дельта-сна регистрирует ся спонтанная кожно-гальваническая реакция (КГР). При пробужде нии из медленного сна отчеты о сновидениях, как правило, отсутству ют, часто недооценивается длительность предшествующего сна и от рицается 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 следую щему. Сон не является единым состоянием мозга и организма, а состо ит по меньшей мере из двух качественно различных состояний, назы ваемых «медленным» и «быстрым» сном. Они отличаются по сово купности биоэлектрической активности мозга, активности глазодви гательных мышц (электроокулограмма), тонусу мышц диафрагмы рта (электромиограмма) и многочисленным вегетативным показателям: частоте сердечных сокращений и дыхания, сопротивлению кожи. Дол гое время полагали, что медленноволновый сон — единственный вид сна, но результаты экспериментов Е. Азеринского и Н. Клейтмана по казали, что после волн, характерных для четвертой стадии, т.е. глубо кого 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, несоответ ствия между состоянием тела и активностью мозга. Во время стадии БДГ разбудить спящего очень трудно, но если это удается, можно ус лышать 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 связа ны с парадоксальным сном, можно сделать вывод, что их продолжи тельность, вероятно, сравнима с продолжительностью периодов тако го сна. Кроме того, было отмечено, что если в первые периоды снови дение 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 низкоам плитудные ритмы, что делает эту фазу сна неотличимой по электроэн цефалографическим проявлениям от активного бодрствования. Уси ливается 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, воз никающие эпизодически. Прежде всего к ним относятся быстрые дви жения глазных яблок при закрытых веках, мышечные подергивания отдельных групп мышц, изменения частоты сердечного ритма и дыха ния 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 «быстро го» сна здоровые испытуемые в 80—90% случаев докладывают о сно видениях.
Весь ночной сон состоит из 4—5 циклов, каждый из которых начи нается 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. Длитель ность цикла измеряется от начала медленного до завершения быстро го сна, у здоровых испытуемых она относительно стабильна и состав ляет 90—100 мин. Структура сна, процентное соотношение отдельных стадий, у здоровых лиц одинакового возраста со сходными личност ными 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 обра зом, экспериментально установлено, что каждый здоровый субъект каждую ночь 4—5 раз видит сновидения и «разглядывание» сновиде ний занимает в общей сложности от 1 до 1,5—2 ч. Люди, утверждаю щие, что они видят сновидения очень редко, просто не просыпаются в фазе сновидений. Интенсивность самих сновидений, степень необыч ности и эмоциональной насыщенности может быть различной, но факт их регулярного возникновения во время сна сомнений не вызы вает.
Сон млекопитающих и птиц по своей организации принципиально не отличается от сна человека, хотя циклы, как правило, короче, а мед ленный сон у животных менее дифференцирован и процентное соот ношение быстрого и медленного сна различно у разных животных. Выделить состояния сна и бодрствования на низших филогенетичес ких 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 слу чаях о смене периодов активности и покоя. Однако у моллюсков (осо бенно головоногих), высших ракообразных, пауков возникают состоя ния, 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 харак терны определенные гормональные сдвиги. Так, во время дельта-сна увеличивается экскреция гормона роста, который стимулирует обмен тканей. Во время быстрого сна усилена экскреция гормонов коры над почечников, 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 «восста новительную» ночь, когда предоставляется возможность отоспаться, чаще всего наблюдается увеличение дельта-сна. В эту ночь его дли тельность значительно больше, чем обычно. Быстрый сон, как прави ло, увеличивается на вторую или третью ночь. У некоторых людей с высоким уровнем эмоционального напряжения прежде всего увеличи вается быстрый сон. Разработаны способы, позволяющие системати чески предотвращать появление дельта-сна или быстрого сна. Избира тельное 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 ста диям сна. Чтобы избирательно исключить быстрый сон, неловека или животное пробуждают при первых признаках этой фазы сна — появ лении быстрых движений глаз или падении мышечного тонуса.
Исследования показали, что после депривации в восстановитель ном сне компенсаторно увеличиваются именно те стадии, которые по давлялись. Следовательно, организм в них нуждается и старается при первой возможности восстановить дефицит. Однако этим, по сущест ву, исчерпываются те результаты исследований, по которым мнения всех ученых совпадают. Дальше начинаются разногласия. Какие про цессы 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 компен сацию истощающего ткани катаболизма, который усилен в период ак тивного бодрствования. В пользу этой гипотезы как будто свидетель ствует целый ряд фактов. Дельта-сон удлиняется, параллельно увели чивается содержание в плазме анаболического гормона роста после интенсивной мышечной работы, при быстрой потере веса, при по вышении основного обмена вследствие тиреотоксикоза. После лише ния 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 слу чае длительные периоды обездвиженности должны приводить к зна чительным 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 испы туемых.
Эти противоречия заставляют предполагать, что восстановление тканевого обмена, если и происходит во время дельта-сна, то не явля ется единственной функцией этого состояния. Эксперименты проде монстрировали, 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 заучи вать определенное количество бессмысленных сочетаний букв. Бес смысленные буквенные сочетания выбирались для того, чтобы ис ключить 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 ли шении сна и дельта-сна ухудшается память и снижается внимание. Возможно, во время дельта-сна происходит определенное упорядоче ние поступившей в период бодрствования информации, ее организа ция в зависимости от степени значимости. Из школьного опыта мно гие помнят, что заученное непосредственно перед сном легко вспоми нается утром.
Гипотеза об устранении информационной перегрузки и облегче нии запоминания значимого материала во время дельта-сна согласу ется 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 мате риала с образованием и перестройкой белковых макромолекул. Нако нец, 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 ак тивность должна быть минимальной, что и имеет место. Если же про цесс 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 орга низму, то нужен ему и парадоксальный сон. Во время различных ис следований испытуемых систематически будили в тот момент, когда электрическая активность мозга и движения глаз указывали на пере ход в фазу парадоксального сна. Потом им позволяли снова заснуть и проспать в общей сложности столько же часов, что и обычно, но пе риоды парадоксального сна таким образом исключались. Когда после этого тем же испытуемым позволяли спать непрерывно, доля перио дов 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 способству ет закреплению в памяти информации, полученной во время бодрст вования. 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 длитель ной депривации были сенсационными. В. Демент обнаружил у своих испытуемых значительные изменения психики: эмоциональную и по веденческую расторможенность, галлюцинации, бредовые идеи. Это первое исследование испытуемых-добровольцев, которых лишали бы строго сна, пробуждая при первых признаках его появления. Экспери мент продолжался до 11 суток и был прекращен из-за грубых наруше ний 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 исход ного психического состояния. Тревожные субъекты реагируют на деп-ривацию значительным усилением тревоги. Кроме того, изменение графика сна свидетельствует о потребности этих лиц немедленно ком пенсировать дефицит быстрого сна. Из результатов этих исследова ний можно сделать вывод о том, что потребность в быстром сне опре деляется необходимостью для организма сновидений и такая потреб ность в сновидениях у разных людей различна. Более того, дальней шие 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 закреп ления в памяти новых способов поведения, обнаруженных еще в пери од бодрствования, т.е. функцией быстрого сна является только улуч шение процессов памяти?
В пользу второй точки зрения свидетельствует ряд исследований, проведенных на животных. Показано, что лишение быстрого сна, осу ществляемое непосредственно после уже достигнутого успеха в обуче нии, сводит этот успех на нет. Следовательно, само нахождение новых форм реагирования и достижение высокого уровня успешности про исходят 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 деприва ции.
Однако, признав, что основная функция быстрого сна связана с процессами запоминания, мы сразу сталкиваемся с рядом противоре чий. Прежде всего трудно понять, почему быстрый сон избирательно способствует закреплению в памяти только принципиально новых ре шений, если сам процесс нахождения решения совершается независи мо от него. Предполагается, что есть несколько различных механиз мов запоминания и консолидации материала в памяти, и для простых задач используется один механизм, а для сложных, хотя уже и решен ных в период бодрствования, — совсем другой.
Результаты других исследований показали, что быстрый сон уве личивается больше у тех животных, которые обучаются хуже всего. Непонятно, почему депривация быстрого сна, предшествующая обу чению, затрудняет решение некоторых задач. Признание за быстрым сном важной роли в процессах консолидации заставляет нас столк нуться еще с одним парадоксом: процесс консолидации непрерыв ный, а быстрый сон возникает с весьма продолжительными интерва лами.
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 бы стрый сон косвенно способствует запоминанию, например, устраняя препятствия, которые могут мешать усвоению непривычных для субъ екта сведений. В частности, таким препятствием может быть эмоцио нальное напряжение. Однако вопрос функции сна не был до сих пор ни достаточно четко сформулирован, ни сколько-нибудь подробно об сужден в специальной литературе. И причина этого в том, что авторы теоретических концепций сосредоточили основное внимание на спе цифике предъявляемых задач, обычных и необычных, и гораздо мень ше интересовались особенностями поведения субъекта в процессе решения этих задач. Предполагалось, что поведение одинаково, или несущественно, или, во всяком случае, задается условиями самой за дачи, т.е. не учитывалось наличие двух фундаментальных типов пове дения 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
е
Электроэнцефалография — этап огромной важности для изучения сна и бодрствования. Первым исследователем, записавшим электри ческие потенциалы мозга, был мэр Ливерпуля лорд Р. Катон. Он обна ружил 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 бодрствова ния 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 выгляде ла электроэнцефалограмма, чем глубже сон, тем более чёткими и яр кими были особенности биотоков мозга. Показатели частоты характе ризуются 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 электро дов, погруженных в глубинные отделы мозга на фоне перерезок, раз рушений и раздражения отдельных участков мозга.
Используя эти данные, Ф. Бремер (1935) выполнил исключитель но важные опыты, результаты которых помогли в определении струк тур 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 ре тикулярной формации ствола мозга, получили реакцию пробуждения у спящей кошки.
Ретикулярная (сетевидная) формация ствола мозга представля ет собой огромную сеть нейронов, большая часть которых имеет короткие аксоны, соединяющие между собой клетки этого образо вания. Расположено оно по всей длине ствола мозга, между ядрами черепно-мозговых нервов и длинных путей (эфферентных и аффе рентных), 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 не выясненным.
Сон, очевидно, регулируется взаимодействием групп нейронов, на ходящихся в разных участках мозга, в том числе в ретикулярной фор мации, 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 про буждения. Ядра шва, тоже находящиеся в осевой части заднего мозга, по-видимому, вызывают сон путем торможения ретикулярной форма ции. Серотонин, основной медиатор ядер шва, вероятно, и является фактором, который индуцирует сон. Недостаток серотонина заставля ет 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 юношес ком возрасте спят обычно 8—10 часов, после 20 лет — 6—8 часов, в среднем возрасте — 5—7 часов. Ночной сон пожилых несколько уко рочен. В настоящее время эти данные несколько изменены, прежде всего это относится к детскому сну. Указанные ранее часовые показа тели оказались резко завышенными, так как анализировались два со стояния: покой и активность по поведенческим проявлениям. Электроэнцефалографические же данные показали, что во время со сания 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 отноше ние 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 ин дивидуальные 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 умст венное 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 положе ниях. 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, со провождающийся полноценным ощущением умственной и физичес кой 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 управляе мой 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 чемпио ны. 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 орга низм 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 уст раивался на ночлег в дикой местности, как это делали наши прими тивные 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 осязатель ные, зрительные или звуковые стимулы. Распространенное в про шлом представление о том, что сон необходим для «отдыха» нейронов и характеризуется снижением их активности, в настоящее время пол ностью опровергнуто. Во время сна в целом не происходит существен ного снижения средней частоты нейронных разрядов по сравнению с состоянием спокойного бодрствования. В быстром же сне спонтанная активность нейронов нередко бывает выше, чем в напряженном бодр ствовании. В медленном и быстром сне активность различных нейро нов организована по-разному. Интенсивность энергетического обмена в мозговой ткани во время медленного сна почти такая же, как в состо янии 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 раз ных 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 дли тельном многочасовом прекращении деятельности сердца для отдыха. Цикл возбуждения нейрона намного короче и занимает тысячные
доли секунды. Нет основания думать, что для его восстановления не достаточно микроинтервалов между проявлениями деятельности. Таким образом, ни экспериментально, ни теоретически не подтверж дается мысль, что сон — результат утомления нейронов головного мозга. Тем не менее усталость, по-видимому, все же является факто ром, 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 новы ми 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 програм мы 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 эндо генных аппаратов: внутренние вегетативные ритмы и утомление из-за информационной перегрузки. Определенная роль во включении ак тивных гипногенных аппаратов принадлежит и внешним факторам, таким, как свет, шум, мышечная активность, устранение которых спо собствует наступлению сна. Все это в сумме составляет третью группу влияний, которые можно обозначить как рефлекторные.
Совершенно закономерен вопрос о том, что способствует включе нию активирующих аппаратов восходящей ретикулярной формации ствола мозга, которая обеспечивает пробуждение. Ряд положений, за тронутых 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 ин формации, восстановление информационной емкости мозга также де лает ненужным дальнейшее пребывание в состоянии сна. Вероятно, большую роль играют и внешние факторы, оказывающие стимули рующее влияние на функциональное состояние активирующих меха низмов. Проблема заключается в расшифровке функционального на значения 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. Информа ционная же теория сна является попыткой представить функциональное назначение сна. Такое представление приходит на смену широко распро страненным 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 изо бражений 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 оце нивать время по ориентирам, связанным с нашей деятельностью. Од нако различные факторы могут несколько изменять оценку протекаю щего времени. Некоторые биологические изменения, например, по вышение температуры тела, могут вызвать переоценку времени, по нижение температуры — наоборот, недооценку. То же происходит под влиянием мотивации или интереса, предъявляемого к некоторым тес там, а также под воздействием различных наркотиков. Успокаиваю щие лекарства, вызывающие замедление физиологических процессов, способствуют недооценке отрезков времени, а возбуждающие лекар ства и галлюциногены, ускоряющие психические процессы и перера ботку сигналов мозгом, напротив, влекут за собой преувеличение оце нок 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 мик роэлектродной регистрации электрической активности отдельных нервных клеток, а также с помощью биохимического и нейрогенети-ческого анализа. Одним из первых явлений, доступных для нейрофи зиологического анализа, стал рефлекс на время.
Проявлением рефлекса на время является эффект экстраполяции. Эффект экстраполяции заключается в том, что спайки начинают воз никать еще до действия раздражителя, так что максимум ответа пред шествует или совпадает с его предъявлением. Это выражается в посте пенном сокращении латентного периода нейронного разряда, а затем и в опережении разрядом реально действующего раздражителя. Пере рыв в опыте приводит к тому, что выработанный эффект экстраполя-
ции нарушается и реакция возникает вновь с определенным латент ным периодом. По мере предъявления раздражителя эффект экстра поляции формируется за более короткое время. Эффект экстраполя ции можно наблюдать при действии световых и звуковых раздражите лей. При этом момент действия раздражителя совпадает с кульмина ционным 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 стереоти па (пропуске стимула) эффект экстраполяции нарушался. Вместе с тем пропуск раздражителя позволил показать, что на уровне отдель ного нейрона имеет место аналог рефлекса на время: конфигурация спайкового разряда при отсутствии стимула напоминала реакцию на раздражитель. При изменении порядка нанесения раздражителей эф фект экстраполяции в виде спайков, предшествующих стимулу, исче зает. Чтобы его вызвать, нужно было снова создать условия регуляр ной стимуляции.
Каков же конкретный нейронный механизм феномена экстраполя ции? Исследователи предполагают, что необходимым условием сраба тывания некоторых нейронов является совпадение сигналов, прихо дящих по одному каналу прямо от раздражителя и с некоторой вре менной задержкой по другому. В зрительной коре кролика были обна ружены нейроны, избирательно реагирующие на вспышки света, разделенные определенными интервалами: одни нейроны реагирова ли, 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, соответствую щая интервалу между наносимыми раздражителями.
Механизм «опережающей реакции» можно представить таким об разом: вспышка вызывает первичный и вторичный разряд по незави симым путям, которые конвергируют на нейроне. Вторичный разряд приходится на действие следующей вспышки. Первичный разряд, суммируясь со вторичным разрядом от предыдущей вспышки, теряет ся на фоне вторичного разряда. Эффект опережения состоит в том, что вторичный разряд предваряет действие следующего стимула и вы полняет функцию экстраполирующего механизма. Отчетливый эф фект «врабатывання» был обнаружен на нейронах таламуса
Возможно, что эффект экстраполяции связан с циркуляцией нерв ных импульсов. Экспериментальные исследования этого предположе-
190
Глава III Ритмы Функциональные состояния
ния выполняли методом многоканальной микроэлектродной реги страции. Был разработан метод, позволяющий следить за направлени ем распространения импульсов по цепочке нейронов. Зная расстоя ния 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 импуль сов по цепям, имеющим сложную конфигурацию со скоростью прове дения 0,5—8,1 мс. Во сне эта регулярная циркуляция импульсов воз растает. 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 фик сации следа памяти, с другой, — вовлекая в реакцию новые нейроны, служить механизмом считывания информации и передачи ее испол нительным нейронам в целях воспроизведения циркуляция импуль сов по цепочкам нейронов может объяснить и такое явление, как реак ция «опережения». Действительно, такой нейрон при повторении сти мула с определенным интервалом может ответить опережающей реак цией. 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 сен сорного 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 основы вается 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 подвер гаются влияниям со стороны внешних раздражителей.
Глава IV. Психофизиология зрительного восприятия
1. Эволюция глаза 2.Глаз
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 зре ние человека со зрением животных, мы обнаруживаем сходство в дей ствии основных механизмов, но находим и множество различий. Экс периментальные 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 рентгенов скими лучами или радиоволнами, определяется длиной волны — для света это расстояние составляет приблизительно 0,0005 мм, или 500 нм (нанометров). Наши глаза могут воспринимать электромаг нитные 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 различ ными длинами волн; такую смесь называют белым светом. Для оценки волнового состава световых лучей измеряют световую энергию, за ключенную в каждом из последовательных небольших интервалов, например от 400 до 410 нм, от 410 до 420 нм, после чего рисуют гра фик распределения энергии по длинам волн. Для света, приходящего от Солнца, этот график похож на кривую без резких подъемов и спа дов с пологим максимумом в области 600 нм. Эта кривая типична для излучения раскаленного объекта. Положение максимальной точки за висит 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 спект ра. 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 реги стрировали электрическую активность отдельных клеток зрительной области коры мозга кошки при предъявлении ей простых зрительных фигур. Использовались светлые полосы, проецируемые на экран, рас положенный перед кошкой. Ученые обнаружили, что в некоторых клетках электрическая активность возникает при предъявлении кошке полосы света под определенным углом. Только при данном на клоне полосы клетка мозга реагировала возбуждением в виде длитель ного 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 раздраже ния, причем ответ возникает независимо от того, какая часть сетчатки стимулируется светом. Другие клетки зрительной области кошки чув ствительны только к движению, причем к движению, осуществляемо му 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 изображе ние. Более развитые глаза, способные сформировать сложное изобра жение, возникли из клеток, чувствительных к свету, расположенных на поверхности тела простейших животных. Весьма вероятно, что фо торецепторы скрывались в углублениях, потому что там они оказыва лись защищенными от яркого света, который уменьшал их способ ность 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 со хранился у одного из моллюсков, которые еще и в наше время встре чаются на Земле. Это Nautilus. Он имеет примитивный глаз без линзы, но с маленьким отверстием величиной с булавочную головку. С помо щью 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 мор скую воду. Более сложной формой глаза, хотя, конечно, все еще не обычайно примитивной, являются объединения зрительных клеток в группы. При этом к зрительным клеткам присоединяются уже про слойки 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, распола гающихся 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, очевид но, различать и направление падающего на него света. Сужение вход ного 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 предме тов. 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 инвертиро ванными. Именно к этому типу глаз относится и глаз человека. Одна ко по своему эмбриональному происхождению глаз человека весьма существенно отличается от глаз беспозвоночных животных. В то время как у последних глаза развиваются из покровного эпителия (на ружной 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 расту щие в направлении поверхностных покровов, к кожной эктодерме. При соприкосновении с ней глазной пузырек начинает вдавливаться внутрь себя, образуя вторичный глазной пузырек. Внутрь этого вто ричного глазного пузырька входит кожная эктодерма, давая здесь на чало образованию передних частей глазного яблока (эпителию рого вицы и конъюнктивы, хрусталику и пр.). Наиболее же важная часть глаза — сетчатая оболочка со зрительным нервом — развивается непо средственно 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 живот ных, исследуя живущие виды, а также изучая быстротекущие стадии развития глаз в эмбриогенезе. Восприятие формы и цвета предполага ет более сложное строение глаз и наличие мозга, который может ин терпретировать нервные сигналы от оптических образов на сетчатке. Представления о том, как развился глаз, весьма противоречат дарви новской теории эволюции, согласно которой развитие осуществляется при помощи естественного отбора. В эволюции не могло быть общего плана, предвидения того, что следует создавать формы, которые бес полезны в данный момент, но будут иметь значение, когда в достаточ ной 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 сетчат кой, состоящей из многих тысяч или миллионов рецепторов, а боль шое число линз, в каждой из которых имеется один-единственный ре-цепторный элемент. Наиболее древние из всех ископаемых глаз при надлежат трилобитам (ископаемым членистоногим, которые жили
500 000 000 тет назад; эти наиболее ранние из сохранившихся ископа емых 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 светочув ствительного элемента, содержащего обычно семь клеток, сгруппиро ванных в мельчайшую, похожую на цветок гроздь. Каждая закончен ная единица фасеточного глаза известна под названием «омматидий». Принято думать, что каждый омматидий представляет собой изолиро ванный глаз — так что насекомые должны видеть тысячи миров, — од нако трудно согласиться с тем, что это именно так, поскольку в каж дом 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 сигнали зирует о наличии света, направленного непосредственно на него, и что комбинация сигналов эффективно воспроизводит простые изображе ния.
Глаза насекомых имеют чрезвычайно любопытный механизм, обеспечивающий адаптацию к темноте или свету. Омматидий изоли рованы 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 увели чивает 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 бла годаря форме ее оптической поверхности, как обычная линза; ее прин цип 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 де текторами 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, при надлежат глаза Copiha — малоизвестных созданий величиной с оула-вочную головку. Самки этого животного имеют пару глаз, способных
13*
щ
196
Глава IV 11сихофизиология зрительного восприятия
2 Глаз
197
создавать изображение и функционирующих иначе, чем глаза позво ночных и фасеточные глаза; принцип их действия аналогичен прин ципу 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 про зрачно. 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 воспроиз водятся одновременно с помощью многих рецепторов, как это проис ходит в других глазах, но последовательно передаются по зрительно му нерву, как в одноканальной телевизионной камере. Не является ли глаз Copilia предком фасеточного глаза? Не потому ли принцип ска нирования вообще отбрасывается в процессе эволюции, что одно зри тельное волокно не может успешно передавать информацию? Являет ся ли глаз, обнаруженный у ископаемого, упрощенным вариантом фа сеточного 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. Ско рость сканирования варьирует от пяти движений в секунду до одного сканирующего движения за каждые две секунды. Было бы очень инте ресно узнать, почему это происходит и не являются ли эти глаза со хранившейся формой наиболее раннего типа глаз. Если даже Copilia является ошибкой эволюции, она заслуживает признания за ориги нальность.
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 свиде тельствует о большом значении зрения в борьбе за существование.
Каждое глазное яблоко снабжено шестью внешними мышцами, ко торые 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 нормаль ном состоянии они направляются на один и тот же объект, конверги руя при взгляде на близкие объекты. Помимо внешних глазных мышц, имеются также мышцы внутри глазного яблока. В глазу непре рывно выделяется и всасывается водянистая жидкость, которая об новляется приблизительно каждые четыре часа. «Пятна перед глаза ми» 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 шаро образное 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 белко вая оболочка — склера1. Эта белая, почти непрозрачная нерастягиваю-щаяся соединительнотканная оболочка обеспечивает глазу сохране ние его формы и защищает внутренние части его от внешних воздей ствий. 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, тождест венного с эпителием соединительной оболочки глаза — конъюнктивы. Роговица — особая ткань, не снабжающаяся кровью. Ткань роговицы получает питание не с помощью кровеносных сосудов, а непосредст венно из жидкой среды глаза (вследствие этого роговица достаточно изолирована от остального тела). Именно благодаря этому счастливо му обстоятельству возможна пересадка роговицы от одного человека другому в случае помутнения роговицы, так как антитела не достига ют и не разрушают ее, как это происходит с другими чужеродными тканями. Подобной системой особо организованных структур, пол ностью 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 опти ческие свойства этих структур.
Непосредственно под эпителием роговой оболочки находится осо бая бесструктурная, так называемая боуменова оболочка. Наиболь шую часть роговой оболочки составляет слой основного вещества, со стоящий 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 элас тичная прозрачная прослойка, носящая название демуровой, или дес-цеметовой оболочки, покрытая сзади одним слоем эндотелиальных клеток.
Под склерой находится сосудистая оболочка, состоящая, как пока зывает 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 рес ничное тело и радужную оболочку.
Хрусталик. Часто думают, что хрусталик осуществляет преломле ние поступающих потоков света, необходимых для образования изо бражения. 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 форми рования изображения, — не хрусталик, а передняя поверхность рого вицы. Это происходит потому, что способность хрусталика прелом лять 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 по зади 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 объек там перемещается взад и вперед внутри глазного яблока). Хотя хрус талик не является критической структурой, необходимой для форми рования изображения в глазу человека, он играет важную роль в акко модации. 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. Акко модация осуществляется очень своеобразным способом. При взгляде на близко расположенные предметы мембрана уменьшает степень на тяжения хрусталика, благодаря чему его форма сразу же становится более выпуклой; это ослабление натяжения достигается в результате
сокращения цилиарной мышцы. Таким образом, хрусталик становит ся 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 те чение 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, постав ляющей кислород и питательные вещества, и постепенно отмирают. Когда клетки отмирают, они затвердевают, так что хрусталик стано вится слишком плотным — неэластичным, чтобы изменять свою форму в процессе аккомодации при взгляде на различные расстояния. Как сказал Гордон Уоллс в своей известной книге «Глаз позвоноч ных»: «Хрусталик является, таким образом, единственным органом тела, где развитие никогда не прекращается».
Когда хрусталик изменяет свою форму, размер изображения меня ется. Передняя поверхность хрусталика дает большое, но довольно не ясное изображение, которое является правильным, в то время как зад няя его поверхность дает маленькое перевернутое изображение. Это явление может быть продемонстрировано с помощью обычной ложки. При отражении предмета от задней выпуклой поверхности вы увиди те большое правильное изображение, в то время как внутренняя во гнутая поверхность дает маленькое перевернутое изображение.
Радужная оболочка. Она представляет собой кольцеобразную мышцу, создающую зрачок, через который свет проникает в хруста лик, расположенный непосредственно позади зрачка. Эта мышца со кращается, чтобы уменьшить отверстие зрачка при ярком свете, а также в тех случаях, когда глаза конвергируют, чтобы увидеть близкие предметы. Другая мышца управляет фокусировкой хрусталика. От верстие 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 радуж ной оболочки, расширителем же — мышечные волокна, идущие в ней радиально. К сосудистой оболочке по всей внутренней стороне ее при легает пигментный слой эпителиальных клеток, содержащий в себе темный пигмент — фусцин. Клетки эти имеют чаще всего форму шес тигранных призмочек в поперечнике около 0,01 — 0,018 мм. За пиг ментным слоем находится самая внутренняя из оболочек глаза — сет чатая 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, мы шечных 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 светоне проницаемой, чтобы служить эффективной преградой перед хруста ликом. Глаза, лишенные пигмента (альбинизм), плохо приспособлены к яркому свету.
Радужная оболочка может осуществлять интенсивные сокраще ния, направляя узкий пучок света внутрь глаза, так чтобы луч прохо дил по краю радужки. Когда радужка несколько смыкается, луч час тично 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 противопо ложный 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, об разованное радужной оболочкой, через которое свет проходит к хрус талику, 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 не известной причине глаза животных, ведущих ночной образ жизни, имеют щелевидные зрачки, что особенно явно у кошки. Иногда дума ют, что изменения размера зрачка являются важным механизмом, по зволяющим глазу эффективно работать в широком диапазоне интен сивности света. Однако это вряд ли является главной функцией зрач ка, 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 происхо дит 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 ска зать, что в глазу имеются две переплетающиеся друг с другом сет чатки.
В течение многих лет предполагалось, что адаптация является результатом регенерации зрительного пигмента, который выцвета ет 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 со поставлены 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 долж на быть связана с количеством фотохимического родопсина, «обес цвечиваемого» под воздействием света. Физиолог У. Раштон про извел измерение плотности фотохимического родопсина непосред ственно 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 количе ство 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 рецепто ром, поэтому экспериментатор использовал глаз кошки; задний от ражающий слой сетчатки служил зеркалом для отражения света на фотоэлемент. Этот метод оправдал себя в эксперименте на коша чьем глазе, и Р. Раштону затем удалось так его усовершенствовать, что он стал достаточно чувствительным, чтобы улавливать и изме рять очень слабый свет, отражаемый от человеческого глаза. Он нашел, что по мере адаптации происходит «обесцвечивание» фото химического вещества, причем отношение между энергией света и массой обесцвечиваемого фотохимического вещества выражается логарифмической зависимостью. Таким образом, был открыт меха низм 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, сле дует указать, что еще в конце XVIII в. швейцарский естествоиспы татель Жан Сенебье (1742—1809) высказал предположение, по ко торому для получения одного и того же фотохимического эффекта надо, чтобы между I и t существовала обратная пропорциональ ность. Чем сильнее раздражитель, тем он может быть короче, и, на оборот, чем он слабее, тем он должен быть продолжительнее. Эта зависимость нашла экспериментальное подтверждение в ряде фото химических 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 фотохи мической реакцией, в глазе происходит также реакция удаления про дуктов распада из сетчатки и обратная реакция новообразования све тоощущающего вещества.
Благодаря этому обстоятельству соотношение между интенсив ностью и продолжительностью раздражителя для глаза оказывается более сложным. Эксперименты показали, что для очень коротких раз дражителей порядка тысячных долей секунды величина произведения / х t, нужная для вызывания порогового ощущения, не остается посто янной, но вначале быстро убывает по мере увеличения t, дает для не которого 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 раздра жителях, более продолжительных, лежащих уже за минимумом, как показали опыты, Ixt = Io(a+t), где /обозначает освещенность зрачка, соответствующую пороговому раздражителю, h — пороговая осве щенность зрачка при неограниченно длящемся раздражителе, t — про должительность применяемого раздражителя (в секундах) и а — неко-
торую постоянную (равную 0,2 с, если /дается в фотах1). Это соотно шение известно как закон Блонделя—Рея.
Минимальная продолжительность, при которой раздражитель впе рвые вызывает реакцию при условии, если раздражитель взят вдвое более интенсивным, чем тот, который является пороговым при неограни ченном времени действия, называется хронаксией (хронаксия Лапика). Она является надежным показателем возбудимости исследуемой мы шечной или нервной ткани. Связь силы порогового раздражителя / с продолжительностью его действия t может быть выражена формулой ги перболы: / = a/t + d, где and есть некоторые постоянные. Очевидно, / равняется пороговой интенсивности раздражителя при t = с; эта интен сивность в хронаксиметрическом методе называется реобазой.
Минимальное время действия светового раздражителя двойной интенсивности по сравнению с пороговым может быть условно назва но оптической адекватной хронаксией. Величина эта в ходе темновой адаптации скорее возрастает в противоположность неизменно снижа ющейся 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 отно шение взаимной компенсации. Было приложено немало усилий к тому, чтобы найти для этого отношения подходящее количественное выражение. Для небольших углов зрения произведение яркости поро гового 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 яр кости 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 взаимодейст вием рецепторов Усиление контраста, по-видимому, можно объяс нить общим перцептивным фактором — влиянием границ на воспри-' ятие объекта. Вероятно, в первую очередь в мозг поступает информа ция именно о пограничных участках, в то время как области с посто янной освещенностью малоинформативны. Зрительная система экстраполирует информацию об объекте, заключенном в определен ные границы, что, бесспорно, экономит большое количество информа ции, которое поступает от периферической части системы. Этот про цесс известен как латеральное торможение. Несмотря на то, что явле ние контраста и усиления восприятия участков, окружающих объект, является главным образом результатом действия сетчаточных меха низмов, 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 явле нии центральных мозговых факторов.
Некоторое представление о сложности организации системы восприятия яркости у человека дает парадокс Г. Фехнера. Он за ключается в следующем. Если глазу предъявляется маленький, до вольно яркий источник света, он будет вызывать ощущение опреде ленной яркости, и зрачок при включении этого источника света будет уменьшаться до определенного размера. Теперь добавим вто рой, 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 сокраща ется, 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 значи тельно 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 со здаются через яркость и цвет. Ощущение, возникающее при отсутст вии света, есть ощущение темноты. Яркость не просто ощущение ин тенсивности света, раздражающего сетчатку. Ощущение яркости, воз никающее при данной интенсивности, зависит от степени адаптации
глаза, а также от целого ряда различных сложных условий, определя ющих 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 функ ция 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 раз личного цвета, но одной и той же интенсивности, то цвета, расположен ные 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 середи не спектра. Кривые чувствительности для палочек и колбочек несколько различны. Они сходны по общему виду, однако колбочки более чувстви тельны 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 про цессом адаптации к свету, при восприятии света действуют еще некото рые 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 боль шего числа рецепторных элементов. По ходу темновой адаптации увели чивается 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, проявля ются в явлении, известном под названием эффект маятника Пульфри-ха. Эффект можно наблюдать, только смотря обоими глазами. Возь мем полутораметровую нитку, прикрепим к ней гирьку. У нас полу чился маятник. Качнем маятник под прямым углом. Будем смотреть на колеблющуюся гирьку обоими глазами, но один глаз прикроем тем ным, 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 распола гаться вдоль линии взора и, несмотря на это, будет казаться, что гирь ка, качаясь по прямой, пересекает эту линию.
Что же вызывает этот эффект? Уменьшая приток света, темное стекло вызывает в глазу процесс темновой адаптации. Адаптация при водит 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 пря мой линии к линии взора; мозг оценивает движение гирьки как дейст вительно происходящее по эллипсу. По-видимому, увеличение от срочки при адаптации к темноте связано с увеличением времени ин теграции 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 сет чатки вызывает увеличение времени реакции.
2.6. Чувствительность глаза к свету
Нейрофизиологические опыты показали, что при увеличении ин тенсивности света учащаются импульсы, идущие от рецепторов сет чатки, причем интенсивность света выражается в частоте импульсов. Очень сложна регистрация электрической активности рецепторов глаза позвоночных, потому что у них сетчатка «вывернута наизнан ку», так что электроды не могут достичь рецепторов без больших по вреждений. 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 меняет ся. Если графически выразить соотношение между длительностью темновой адаптации и количеством нервных импульсов, отводимых от зрительного нерва, то окажется, что частота импульсов увеличива ется, когда глаз находится в темноте более длительное время. Это со ответствует 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 стиму ляция глаза светом. Об этом говорит непосредственная регистра ция активности зрительного нерва глаза кошки, полностью адапти рованного к темноте, и мы имеем все основания предположить, что это справедливо и по отношению к глазу человека и других живот ных.
Наличие постоянного фонового уровня спонтанной активности имеет большое значение. Глаз удивительно чувствителен, мы можем видеть вспышку света столь незначительную, что ее трудно зареги стрировать каким-либо искусственным прибором. Однако глаз был бы еще более чувствителен, если бы не было спонтанной активности зрительной системы, которая представляет собой постоянную пробле му 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 во проса о том, отражает эта нервная активность внешнее раздражение или это только «шум», который следует игнорировать. Глаз использу ет некоторые приспособления, уменьшающие влияние «шума» и зна чительно повышающие длительность периода, в течение которого происходит интеграция сигнала.
Иногда мы видим вспышки, которых на самом деле нет. По-види мому, они появляются вследствие «шума», превосходящего некото рый уровень, но это случается нечасто. Определение уровня, выше которого активность оценивается как ответ на реальное воздействие, используется для оценки надежности данной чувствительной систе мы. Существуют доказательства того, что этот уровень может коле баться и зависит от «установки».
Абсолютный порог различения света также определяется на именьшим сигналом, который может быть надежно выделен из слу чайного «шума» зрительной системы, существующего и при отсут ствии 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 интенсивнос тей 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 рас стояния в несколько метров.
3.1. Общая характеристика
Сетчатка — это часть мозга, отделившаяся от него на ранних стади ях 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 слоя ми синапсов, образованных аксонами и дендритами клеток.
Термин «сетчатка» происходит от латинского слова «ретина» (сетка, паутина) и объясняется наличием густой сети кровеносных со судов, которые ее покрывают. Сетчатка — это тонкий слой взаимно связанных между собой нервных клеток, светочувствительных колбо чек 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 снабжа ет стекловидное тело питанием. Гален (II в. н.э.) впервые предполо жил, что сетчатка участвует в зрительных процессах, однако позже многие ученые приписывали эту функцию хрусталику. Арабские уче ные 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 кото ром создается изображение, преломляющееся в хрусталике. Эта гипо теза была экспериментально подтверждена другим немецким астроно мом К. Шейнером (1625). Он удалил внешнюю оболочку (склеру и кровеносную оболочку глаза, расположенную между склерой и сет чаткой) глаза быка, оставляя сетчатку, которая представала перед ним в виде полупрозрачной пластинки. На ней К. Шейнер увидел малень кое перевернутое изображение.
Открытие фоторецепторов было сделано позднее. Только в 1835 г. фоторецепторы были впервые описаны немецким естествоиспытате лем 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 сет чатки, позади кровеносных сосудов. Это означает, что свет должен пройти через сеть кровеносных сосудов и тонкую сеть нервных воло кон, включающих три слоя нервных клеток и множество соединитель ных клеток, прежде чем он достигнет фоторецепторов. Оптически сет чатка вывернута наизнанку. При таком расположении фоторецепто ров в сетчатке, которое, видимо, является результатом ее закономер ного эмбрионального развития из внешнего мозгового листка, нервные волокна располагаются на периферии и освобождают крити ческую, 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 пробе лов в поле зрения, во-первых, в силу того, что изображение в другом глазе падает вне слепого пятна, и, во-вторых, в силу невольного запол нения 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 максималь на, 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 удли ненную по горизонтали, овальную форму; наибольший диаметр жел того 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 тон кую 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 глав ным 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 светочув ствительные 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 дета ли и за цветовое зрение.
Два вида светочувствительных клеток — палочки и колбочки — на званы так в соответствии с их видом под микроскопом. В перифери ческих отделах сетчатки они четко различимы, однако в центральной области фоторецепторы расположены чрезвычайно плотно и имеют вид палочек. У человека колбочки функционируют в условиях днев ного света и являются аппаратом цветного зрения. Палочки функцио нируют при слабом освещении и обеспечивают только восприятие от тенков 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 живот ных 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 перифери ческая часть, которая заполнена более примитивными палочками (астрономы предпочитают пользоваться не центральной, а перифери ческой 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, пере ходя 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 сти мулируются движущимся объектом, они вызывают только рефлектор ный 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 мел кие детали. Центральная область сетчатки, где колбочки приблизи тельно 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 гори зонтально и содержит около 2000 колбочек. Размеры каждой из этих колбочек равны в среднем 24". Размеры элементов на сетчатке различ ны, однако самые большие центральные элементы вряд ли больше 20" или даже меньше. Самых маленьких клеток, т.е. наименьших функци ональных рецепторных единиц, очень немного, порядка одного-двух десятков. Размер этих единиц включает и оболочки, отделяющие со седние колбочки друг от друга.
Стоит попытаться представить себе размеры фоторецепторов. Самые маленькие из них величиной в 1 мкм, что равно приблизитель но 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 ис ходное состояние, требуется некоторое время. Когда в определенной области сетчатки светочувствительный пигмент «обесцвечивается», то она (эта область) становится менее чувствительной, чем окружаю щие ее отделы. Это и приводит к появлению последовательных обра зов. Когда глаз адаптировался к яркому свету (например, при при стальном взгляде на яркую лампу или особенно — на фотографичес кую 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 пер вых секунд после вспышки он будет казаться ярким. Это явление на зывается положительным последовательным образом, оно свидетель ствует о наличии продолжающегося возбуждения сетчатки и зритель ного 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 обесцвечи вания светочувствительного пигмента.
Поскольку палочки и колбочки расположены на задней поверх ности сетчатки, поступающий свет должен пройти через два других слоя, чтобы воздействовать на них. Неизвестно, почему сетчатка уст роена так странно — она инвертирована, так что палочки и колбочки как бы рассматривают заднюю стенку глазного яблока. Одна из веро ятных причин в том, что позади рецепторов находится слой клеток, содержащих черный пигмент меланин. Меланин поглощает свет, про шедший 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 зритель ного пигмента, который обесцвечивается на свету. Для выполнения обеих функций нужно, чтобы меланин находился поблизости от ре цепторов. 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, послед ствия уменьшения четкости были бы катастрофическими, и эволю ция, видимо, «постаралась» смягчить их — сместила другие слои к пе риферии, 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 со держит нейроны трех видов: биполярные, горизонтальные и амакри-новые клетки. Биполярные клетки имеют входы от рецепторов и мно гие 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, соби раются в пучок, образуют на выходе слепое пятно на сетчатке, лишен ное рецепторов, и покидают глаз. Аксоны ганглиозных клеток форми руют 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 обра батываться детальная зрительная информация?
Изучение связей между клетками сетчатки может помочь разре шить проблему. Можно представить себе два пути информационного потока через сетчатку: прямой путь, идущий от фоторецепторов к би полярным и далее к ганглиозным клеткам, и непрямой путь, при кото ром между рецепторами и биполярами могут быть включены еще го ризонтальные клетки, а между биполярами и ганглиозными клетка ми — амакриновые клетки. Эти связи уже были весьма обстоятельно изучены С. Рамон-и-Кахалем (1900). Прямой путь весьма специфи чен, 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 немно гих биполяров. Непрямой путь более диффузен, или «размыт», благо даря более широким боковым связям. Общая площадь, занятая рецеп торами, связанными с одной ганглиозной клеткой по прямому и не прямому путям, составляет всего около миллиметра. Эта зона являет ся 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 на правление и где наша способность видеть тонкие детали максималь на, 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 би полярной 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, не смотря 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 про гресс в физиологии рецепторов, биполяров, горизонтальных и ама-криновых клеток. Для этого было достаточно причин: пульсация сосу дов постоянно мешала попыткам удерживать микроэлектрод в оди ночной клетке или рядом с ней; рецепторы, биполяры и горизонталь ные клетки не генерируют импульсов, поэтому регистрация намного меньших градуальных потенциалов требует применения внутрикле точных 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; на пример, сетчатки холоднокровных позвоночных способны выживать, будучи извлечены из глаза и погружены в солевой раствор, насыщен ный 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 исполь зовались 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 недав него времени в значительной мере основывались на результатах, по лученных 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 мно гими свойствами, например палочки чувствительны к очень слабому свету, колбочки требуют намного более яркого освещения. Как палоч ки, так и колбочки содержат светочувствительные пигменты. В палоч ках пигмент один и тот же; колбочки делятся на три типа, каждый со своим особым зрительным пигментом. Все виды пигмента чувстви тельны 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 зеле ный 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 от ражает остальную часть, называют пигментом. Если какие-то спект ральные 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 явле ния 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 количест во такого пигмента и посмотреть на него, он выглядел бы окрашен ным. Зрительный пигмент обладает особым свойством: при поглоще нии им светового фотона он изменяет свою молекулярную форму и при этом высвобождает энергию, запуская таким образом цепь хими ческих реакций, которые в конце концов приводят к появлению элект рического сигнала и к выделению химического медиатора в синапсе. Пигментная молекула в своей новой форме, как правило, обладает со всем 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 пиг мента; 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 со держит 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 гру бую разновидность зрения, не позволяющую различать цвета. Палоч ковый 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 «сини ми», «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 кол бочек широко распространены и попытки изменить укоренившуюся терминологию обычно заканчиваются неудачей. Имея максимум по глощения 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 назва ние зрительного пурпура.
Три типа колбочек имеют широкие зоны чувствительности со зна чительным перекрыванием, особенно для красных и зеленых колбо чек. Свет с длиной волны 600 нм вызовет наибольшую реакцию крас ных 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 реа гирует 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, назван ный выцветанием. В этом процессе молекула зрительного пигмента поглощает фотон — единичный квант видимого света — и это приво дит к ее химическому превращению в другое соединение, хуже погло щающее 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 трансформируе мую часть молекулы пигмента. Благодаря биохимическим исследова ниям, стало больше известно о механизме выцветания и последующе го восстановления зрительных пигментов.
Большинство обычных сенсорных рецепторов — химических, тем пературных или механических — деполяризуется в ответ на соответст вующий стимул, т.е. они реагируют на возбуждающий стимул так же, как обычные нейроны; деполяризация ведет к высвобождению медиа тора из аксонных окончаний. Часто, как и в случае зрительных рецеп торов, 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 пред полагалось, что аналогичный механизм — деполяризация под влияни ем света — действует также в палочках и колбочках позвоночных.
Японский нейрофизиолог Ц. Томита (1964) впервые зарегистри ровал электрическую активность колбочки сетчатки рыбы в условиях разного уровня освещения. Для этого он применил внутриклеточные
микроэлектроды. Потенциал покоя рецептора оказался равным при мерно -50 мВ. Выяснилось, что в темноте фоторецепторы позвоноч ных имеют более низкий мембранный потенциал, чем обычные нерв ные 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 (тем нота) приводит к активации рецепторов, они деполяризуются, а депо ляризация вызывает непрерывное высвобождение медиатора из окон чаний 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 высо ко активны в темноте: спонтанную активность проявляют именно ре цепторы, а биполярные и ганглиозные клетки участвуют в переработ ке 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 пиг мента под действием одного фотона может привести в палочке к изме римому изменению мембранного потенциала. В настоящее время оба процесса достаточно хорошо изучены и поняты. Гиперполяризация на свету вызывается перекрытием потока ионов. В темноте часть рецеп торной 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 пиг мента на свету поры для натрия закрываются, темновой ток уменьша ется и степень деполяризации мембраны становится меньше — клетка гиперполяризуется и ее активность ослабевает.
В настоящее время, благодаря биофизическим исследованиям, на много больше стало известно о связи между выцветанием пигмента и закрытием натриевых каналов. Например, установлено, как выцвета ние единственной молекулы пигмента может привести к закрытию миллионов пор, что необходимо для наблюдаемых изменений потен циала. В настоящее время выяснилось, что поры в рецепторе открыва ются с помощью молекул вещества — циклического гуанозинмоно-фосфата (цГМФ). Выцветание молекулы зрительного пигмента при водит к целому каскаду событий. Белковая часть обесцвеченной моле кулы 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 зага дочными: во-первых, стало понятно, почему человек, адаптировав шийся 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 генери ровать сигнал достаточной силы.
Во-вторых, теперь можно объяснить, почему палочки не могут реа гировать на изменения освещенности при ее достаточно высоком фо новом уровне. Опыты показывают, что чувствительность палочек столь высока, что при сильной освещенности (например, при солнеч ном 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 встре чаются намного реже биполярных, которые в целом преобладают в среднем слое.
Биполярная клетка посылает по направлению к рецепторам един ственный 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 срав нительно малый участок сетчатки. Возникает вопрос: каковы синапсы между рецепторами и биполярными клетками — возбуждающие они, тормозные или обоих типов?
Биполярные клетки, подобно рецепторам и горизонтальным клет кам, не генерируют импульсов, но здесь будут рассматриваться ои-от-веты (реакция активации на включение стимула), подразумевая депо ляризацию в ответ на световой стимул и соответственно усиление вы-
деления медиатора в выходных синапсах, и off-ответы (реакция акти вации 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 рецепто ры 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 свето вого пятна. Рецепторы активны в темноте, а свет вызывает гиперполя ризацию 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 активиру ется (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 стран ных. Их отростки тесно контактируют с окончаниями многих фоторе цепторов, распределенных по площади, размеры которой велики по сравнению с участком, непосредственно связанным с одиночной бипо лярной 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 ней ронам? 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. Отрост ки, 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 при знаки, обычно указывающие, в каком направлении передаются сигна лы. 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 го ризонтальным 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 некото рых животных, например, у черепах, они передают информацию об ратно 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 биполяр ным клеткам, или к тем и другим.
То, что рецепторы передают горизонтальным клеткам информа цию с относительно обширного участка сетчатки, означает, что рецеп тивные поля этих клеток должны быть большими. Опыты это под твердили: величина их полей примерно соответствует размерам ре цептивных 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 един ственные клетки, связанные с рецепторами на столь обширном про странстве. Там, где горизонтальные клетки непосредственно контак тируют с биполярами, синапсы, передающие информацию ои-биполя-рам, должны быть возбуждающими (ввиду тормозящего влияния на периферию), а к о//-биполярам — тормозными. Если же влияние осу ществляется через рецепторы, синапсы должны быть тормозными.
3.4. Амакриновые клетки
Эти клетки удивительно разнообразны по форме и используют не обычно 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 биполяр ными 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 окон чаний на других клетках.
Амакриновые клетки выполняют много различных функций, боль шей частью неизвестных. Один их тип, по-видимому, участвует в спе-
цифических реакциях на движущиеся объекты (эти клетки обнаруже ны 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. Функ ции большинства их форм остаются невыясненными: можно сказать, что анатомические сведения об амакриновых клетках значительно бо гаче 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 си наптической 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, отлича ются также и расположением своих аксонных окончаний: у одних ак соны 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 си напсы 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 ха рактере 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 до статочно высоком уровне, скажем, 100 в с, и потому способных в ответ на оппонентные стимулы либо снижать, либо повышать частоту им пульсов — 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 дан ной модальности две отдельные группы клеток, одна из которых раз ряжается 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, осущест вляющееся с помощью связей между элементами сетчатки, приводит к таким особенностям распределения активности в зрительном нерве, которые не являются простыми и непосредственными копиями внеш него образа. Из огромного количества деталей временного и простран ственного распределения освещения на мозаике рецепторов сетчатки отбирается определенная важная информация. Эта информация уси ливается за счет менее важной информации и лишь после этого пере дается в центральную нервную систему.
К числу наиболее важных особенностей распределения освещения относятся места перехода от одной интенсивности к другой и от одно го цвета к другому. Действительно, даже если представлены только контуры, например, на штриховом, или контурном рисунке, значи тельная часть важной информации оказывается сохраненной. Иссле дователями описан механизм нервной интеграции, участвующий в об наружении 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 от дельными 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 нерв ных волокон связывает эти пучки сразу же за слоем омматидиев Каж дый 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 латераль ных 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, пред ставляет собой нейрон, а не истинный рецептор. Эта клетка посылает дистальный дендритный отросток к центру рабдома, состоящего при близительно из дюжины тесно соприкасающихся друг с другом рабдо-меров, которые представляют собой специализированные части рети нулярных 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 часто та импульсов связана приблизительно логарифмической зависимос тью с интенсивностью света. Активность любого волокна в ответ на раздражение омматидия, от которого оно отходит, имеет особенности, типичные для реакций многих сенсорных нервов: между раздражени ем и появлением первого импульса протекает довольно длительный латентный период; интенсивность реакции зависит главным образом от интенсивности раздражения. Реакция на резкое повышение или по нижение уровня раздражения протекает несколько сложнее.
Освещение других омматидиев, расположенных поблизости от ом матидия, 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 волок но. Тем не менее, сенсорные элементы глаза Limulus оказывают суще ственное 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 облас тей глаза.
Суть тормозного эффекта можно представить себе следующим об разом. 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 све тового раздражителя, уменьшается число импульсов, возникающих в ответ на надпороговую вспышку света, и понижается частота разряда импульсов при стабильном освещении. Показано, что степень тормо жения, о которой судят по понижению частоты разряда, зависит от интенсивности освещения, от площади и конфигурации изображения на сетчатке: 1) чем больше интенсивность освещения соседних рецеп торов, тем сильнее тормозное действие, оказываемое ими на исследуе мый рецептор; 2) чем больше число освещенных соседних рецепторов, т.е. чем больше площадь освещения, тем сильнее торможение исследу емого рецептора; 3) освещение рецепторов, расположенных в непо средственной близости к исследуемому рецептору, приводит к более сильному торможению, чем освещение удаленных рецепторов.
Рецепторы глаза Limulus оказывают друг на друга взаимные тор мозные влияния. Активность каждого омматидия влияет на актив ность соседних омматидиев и в свою очередь зависит от их состоя ния. 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 результа том суммации возбуждения, вызванного действующим на этот омма-тидий световым раздражителем, и торможения, оказываемого другим омматидием.
Активность рецепторной единицы измеряют частотой разряда им пульсов в соответствующем аксоне. Эта реакция определяется воз буждением, вызванным действием внешнего раздражителя на рецеп тор, 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 освещен ности на рецепторной мозаике, так как зависимость тормозных влия ний подразумевалась в величинах порогов и тормозных коэффициен тов Тем не менее ясно, что выраженная зависимость тормозных поро гов и коэффициентов от расстояния между элементами вводит топо графический 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 параметра ми 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 осве щенной области поблизости от этой границы, будет тормозиться не только слабо освещенными, но и ярко освещенными соседними еди ницами Суммарное торможение такой единицы будет поэтому боль шим, 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 освещен ные единицы, расположенные также в ярком поле, но испытывающие более сильное торможение, так как их непосредственными соседями являются столь же ярко освещенные единицы. Таким образом, разли чия в активности элементов по обеим сторонам границы будут усиле ны и нарушение непрерывности освещения будет подчеркнуто в ха рактере нервной реакции.
Идеальной экспериментальной проверкой этих качественных предсказаний была бы одновременная регистрация разряда импуль сов от большого числа рецепторных единиц во многих различных по ложениях, соответствующих фиксированному распределению осве щенности на рецепторной мозаике Поскольку такая проверка неосу ществима, измеряли разряд импульсов только от одной рецепторной единицы, расположенной поблизости от центра глаза, и в промежут ках между измерениями изменяли освещение глаза таким образом, что данная рецепторная единица занимала последовательно ряд раз личных положений по отношению к участкам с разной освещеннос тью. Применяли две простые системы освещения: резкий скачок в ин тенсивности и простой градиент между двумя уровнями интенсивнос ти. В каждом случае переходы в распределении освещенности подчер киваются 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 раз дражителя, но также энергично реагируют на изменения интенсивнос ти раздражителя во времени. Как для возбуждающего, так и для тор мозного компонента активности сложного глаза Limulus характерны резкие кратковременные реакции на изменения раздражителя Любое изменение интенсивности освещенности вызывает значительное пре ходящее изменение частоты разряда, гораздо большее, чем соответст вующее 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 элемен тов, возбуждение которых не изменялось. Следовательно, если срав нивать частоту разряда данного элемента с частотой разряда соседних элементов, преходящие частоты возбуждения будут казаться относи тельно небольшими, так как они вызывают обратный эффект в сосед них элементах. Иногда, правда, после торможения наблюдается неко торое усиление реакции, несколько превышающее уровень незатормо женной реакции. Однако такое усиление всегда крайне мало. Прехо дящие процессы торможения протекают параллельно проходящим процессам возбуждения, но первые, вероятно, не полностью зависят от последних.
Тормозное взаимодействие среди нервных элементов представля ет собой один из главных нервных механизмов, общий для многих сенсорных модальностей и уровней интеграции. Основные функцио нальные свойства этого взаимодействия, по-видимому, одинаковы, где бы они не обнаруживались. Глаз Limulus особенно удобен для количе ственного анализа этих функциональных свойств: взаимодействие яв ляется чисто тормозным, группа взаимодействующих элементов отно сительно малочисленна и распределение возбуждения на рецепторной мозаике можно регулировать с большой точностью. Эксперименты с этим глазом моделируют относительно простой интегративный про цесс, что может быть полезным для понимания более сложных интег-ративных процессов в других частях нервной системы, а также у жи вотных других видов.
В глазе Limulus четко выявляется влияние тормозного взаимодей ствия среди нервных элементов. Разряд импульсов в любом волокне зрительного нерва зависит не только от параметров раздражителя спе цифической рецепторной единицы, от которой отходит это волокно, но и от пространственного и временного распределения раздражения по всей популяции взаимодействующих элементов. Эти взаимодейст вия усиливают контраст при резких пространственных и временных градиентах и при нарушениях непрерывности изображения на сетчат ке: края и контуры в их нервном представительстве становятся более четкими. Таким образом, возникающая активность зрительного нерва не является прямой копией распределения возбуждения на рецептор ной мозаике. Определенная информация, особенно важная для орга низма, усиливается за счет менее важной информации. В сетчатке по звоночных 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 во локне посредством освещения одной группы рецепторов, можно за тормозить, освещая другую группу рецепторов того же самого рецеп тивного поля. Установлено, что свет, совершенно не освещающий ре цептивное 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 вы ключения. Когда в пределах одного рецептивного поля взаимодейст вуют 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 ней ронов обнаружено в зрительной коре кошки.
Тормозное взаимодействие, несомненно, представляет собой осно ву ряда хорошо известных зрительных явлений, таких, как световой и цветовой контрасты. Действительно, ранние психофизические иссле дования этих явлений предопределили открытие тормозного взаимо действия физиологическими методами.
В любом отдельном волокне зрительного нерва глаза Limulus, хи рургически 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, сосед них, рецепторных единиц. Это влияние чисто тормозное. Активность каждого рецептора представляет собой результат действия на него све тового раздражителя и торможения со стороны других рецепторов. При стабильном освещении торможение, оказываемое одной рецептор ной единицей на другую, является линейной функцией частоты разря да 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, взаимодейству ющих 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 изображе ния на сетчатке. Эти эффекты весьма напоминают аналогичные эффек ты в зрении человека (полосы Маха и пограничный контраст).
Кратковременные динамические фазы тормозного взаимодейст вия усиливают реакцию зрительного нерва на изменения интенсив ности освещения. Действительно, при соответствующем столкнове нии возбуждающих влияний светового раздражения рецепторной еди ницы с тормозными влияниями от соседних рецепторов могут возни кать кратковременные разряды импульсов, весьма напоминающие эффекты включения-выключения и эффекты выключения, столь ха рактерные для различных волокон зрительного нерва сетчатки позво ночных.
Эксперименты на глазе Limulus раскрывают один из механизмов, который, возможно, участвует в создании эффектов пространственно го 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 во локна зрительного нерва образуют синапсы с клетками наружного ко ленчатого тела (НКТ) и что аксоны клеток НКТ оканчиваются в пер вичной зрительной коре. Было также установлено, что эти связи — от сетчатки к НКТ и от НКТ к коре — имеют топографическую организа цию. Говоря о топографическом отображении, мы имеем в виду, что предшествующая структура проецируется на последующую упорядо ченным 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 зритель ного нерва, выходящие из небольшого участка сетчатки, все будут на правляться 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 вспом нить 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 некото рое расстояние от клеток сетчатки, точно так же как кора удалена от НКТ и находится в другой части мозга. Тем не менее характер соеди нения 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 свои ми окончаниями упорядоченную проекцию. Удивительно то, что в зрительном нерве на пути от сетчатки к НКТ эти волокна почти пол ностью 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 оканчива ется 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 посте пенно становятся все ближе. Поэтому чем дальше от сетчатки, тем более размытым будет отображение зрительно воспринимаемой кар тины.
Еще одним важным и давним свидетельством в пользу топографи ческой организации зрительных путей служат клинические наблюде ния. Если поврежден определенный участок первичной зрительной коры, то развивается «локальная слепота», как если бы была разруше на 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 зри тельных сигналов на каждом из уровней. Полагали, что картинка, со зданная при помощи зрения, просто передается в мозг, а уж его зада ча — осмыслить ее. В дальнейшем стало понятно, что такая нейронная структура, как первичная зрительная кора, производит глубокое пре образование поступающей информации. Нам почти ничего не извест но 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 специализи рованные светочувствительные детекторы. Сетчатка делится по вер тикали 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 по зади глаз — в хиазме (зрительный перекрест) и направляются к заты лочной области противоположного полушария. Это зрительная об ласть 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 коленча тое тело. У животных с фронтальным расположением глаз с темпо ральной области часть волокон переходит на противоположную сто рону. 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 сет чатки то же, что видит другой глаз назальной сетчаткой.
5.1. Наружное коленчатое тело
Волокна, идущие в мозг от каждого глаза, проходят через зритель ную хиазму. В хиазме примерно половина волокон каждого зритель ного нерва переходит на противоположную сторону мозга по отноше нию 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 сравни тельно 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, прихо дящие обратно из тех участков коры, на которые проецируются НКТ, а также из ретикулярной формации ствола мозга, имеющей отноше ние 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 нейро нами НКТ. Несмотря на эти усложнения, одиночные клетки НКТ от вечают 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-види мому, не производит никаких значительных преобразований сигна лов. 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 хруста лик создает на сетчатке перевернутое изображение, изображение, созда ваемое 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, ле жащие справа от вертикали, проходящей через точку, которую мы фик сируем 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, стано вится более сложной. В НКТ проекции от сетчаток двух глаз объеди няются, и два отдельных изображения, представленные на уровне ган-глиозных клеток в сетчатках, проецируются на шесть слоев НКТ. Во локна от правого и левого глаза не конвергируют на одни и те же клет ки 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 распо лагаются в следующем порядке (от поверхности в глубину): левая, пра вая, левая, правая, правая, левая. Не ясно, почему последовательность пятого и шестого слоев «перевернута». Пока нет никакого удовлетво рительного 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 право го 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 чередо вание 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 (вентраль ный — расположенный ближе к брюшной стороне тела, дорсальный — к спинной стороне). Вентральная часть НКТ образует особую струк туру, так как клетки в соответствующих слоях отличаются от клеток в остальных четырех слоях — они крупнее и по-иному отвечают на зри тельные стимулы. В то же время четыре слоя дорсальной части НКТ как гистологически, так и по своим электрофизиологическим свойст вам сходны друг с другом. Поскольку величина клеток в этих двух отделах различна, вентральные слои стали называть крупноклеточны ми, 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 про екция с топографической организацией (это аналогично распределе нию 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 че ловек видит вспышку света. При небольшом изменении положения стимулирующих электродов вспышка видна в другой части зритель ного поля. Таким образом, имеется пространственное представитель ство обеих сетчаток в зрительной коре. Стимуляция отделов коры, примыкающих к зрительному проекционному полю, тоже ведет к по явлению зрительных ощущений, но вместо вспышек света возникают более сложные зрительные ощущения. Иногда пациент видит ярко ок рашенные шары, как бы парящие в пространстве. Стимуляция участ ков, расположенных еще дальше, может вызывать зрительные воспо минания — 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 голов ного 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 полоса той (отсюда и ее название — стриарная кора). В одной из первых сис тем 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 примы кает 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 затылоч ных зонах. Эти зоны называются срединная височная (МТ) и зри тельные 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 глу бинных структурах мозга, например, в верхних бугорках четверо холмия 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 расположе ны 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 немно гие клетки, но на срезах клетка видна целиком, включая аксоны и дендриты. Два основных класса кортикальных клеток — это пирамид ные 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, кото рые 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 проек ции 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 пи рамидных клеток в слоях 2, 3, 45, 5 и 6 аксоны выходят из коры, одна ко у этих аксонов есть ответвления (коллатерали), которые образуют локальные связи и таким образом помогают распределить информа цию по всей толще коры.
Корковые слои различаются не только своими входами и внутрен ними связями, но также и «адресами» тех структур, куда они проеци руются. Все, кроме слоев 1, АА и АС, имеют выходные волокна, уходя щие 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 эксперимен тах. С тех пор данные были многократно подтверждены морфологи ческими 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 многочислен ные связи идут вверх и вниз, тесно объединяя разные слои. Диаго нальные 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 топо графическому принципу (в случае зрительной системы в соответст вии с положением отображаемой точки на сетчатке или в поле зре ния), то этот же принцип должен сохраняться и в организации выхо дов. Какие бы функции ни выполняла кора, проводимый анализ дол жен быть локальным. Информация о любом небольшом участке поля зрения поступает в какой-то небольшой участок коры, где подвергает ся анализу и передается дальше для последующей обработки незави симо от того, что происходит с информацией о соседнем участке. Изо бражение зрительной картины мира анализируется фрагментарно, мо заично. В силу этой причины первичная зрительная кора не может быть местом интеграции и создания целостных зрительных объек тов — это функция других областей мозга.
На мозаичный характер обработки зрительной информации ука зывают данные клинической неврологии. После небольших инсуль тов, опухолей или ранений, локализованных в первичной зрительной коре, может наступать полная слепота в небольших, четко ограничен ных участках поля зрения. При этом в остальных участках сохраняет ся 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 слу чае 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 со вокупность 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 структу рой: 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 про блемами. Во-первых, каким образом палочки и колбочки преобра зуют поглощаемый ими свет в электрические и химические сигна лы? Во-вторых, как клетки последующих слоев — биполяры, гори зонтальные, амакриновые и ганглиозные — интерпретируют эту информацию? Содержательной, удобной и компактной характерис тикой нейрона и информации, доставляемой его выходными сигна лами, 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 непрямо го 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 оказал ся удачным, поскольку сетчатка кошки и достаточно сложна и не об ладает 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, вводи мыми 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 проециро вать маленькие световые пятнышки, непосредственно наблюдая как стимул, так и кончик электрода. Фоновый свет позволял стимулиро вать либо палочки, либо колбочки — поскольку при очень ярком осве щении работали только колбочки, а при слабом — только палочки. На ходить ганглиозные клетки нетрудно, так как они лежат у самой по верхности сетчатки.
При постоянном рассеянном фоновом свете и даже в абсолютной темноте большинство ганглиозных клеток сетчатки проявляет посто янную 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 неожидан ной.
Применяя маленькое световое пятнышко, С. Куффлер смог отыс кивать на сетчатке области, с которых он мог влиять на импульсацию ганглиозных клеток — увеличивать ее или подавлять. Это и есть ре цептивные 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 рецеп тивного поля. Это ои-реакция, которая возникает на включение свето вого пятна, локализованного в определенном месте сетчатки. Если С. Куффлер перемещал световое пятнышко дальше от центра рецеп тивного поля, свет подавлял спонтанную импульсацию клетки, а при выключении света клетка отвечала залпом импульсов, который про должался 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 кле точных разрядов на включение стимула и активации разрядов на вы ключение стимула), и on-периферией, которая при включении стиму ла отвечала сильным повышением количества генерируемых разря дов. Необходимо отметить, что клетки обоих типов попадались одина ково часто. Клетки с о//-центром разряжаются с наибольшей частотой в ответ на черное пятно на белом фоне, поскольку при этом освещает ся только периферия ее рецептивного поля. В природе темные объек ты, по-видимому, столь же распространены, что и светлые, этим можно объяснить, почему информация от сетчатки передается клетка ми как с off-, так и с оп-центром.
Исследование микроорганизации рецептивного поля этого типа показало, что оно четко поделено на круглую on-зону и окаймляю щую 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 круг лое пятно определенного диаметра, а максимальные о//-реакции — на кольцо определенных размеров (с определенным внутренним и наружным диаметром). Центральная и периферическая зоны про являли взаимный антагонизм: реакция на пятно в центре уменьша лась 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 сла бую реакцию, чем при раздражении пятном только центра; для не которых же клеток эффекты стимуляции обеих зон полностью по гашали друг друга. Можно представить себе удивление исследова телей, когда яркая вспышка, направленная прямо в глаз животного, вызывала лишь слабые реакции или не вызывала их вовсе. Никто не предполагал, что эффективными будут только структурирован ные 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 орга низацию биполяров. Данные о том, что рецептивные поля биполяр ных клеток действительно имеют центр и периферию и представле ны двумя типами, были впервые получены при помощи внутрикле точной регистрации их активности. Следующий вопрос — как устроены эти рецептивные поля. Для ответа на него необходимо начать с изучения связей между рецепторами, биполярами и гори зонтальными 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 горизон тальные клетки. Они, видимо, частично ответственны за периферию рецептивных полей ганглиозных клеток сетчатки; биполярные клет ки имеют рецептивные поля с центром и периферией. Реакция цент ра определяется прямым входом небольшой группы рецепторов; пе риферию определяет непрямой путь более обширной области рецеп торов, 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 рецеп тивных 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 уп рощает 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 ганглиоз ных клеток сетчатки, которые посылают аксоны к клеткам НКТ. По добно 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 зритель ные стимулы? Сходны ли они с клетками НКТ, посылающими в кору свои аксоны, или же у них появляются какие-то свои особен ности? Эксперименты на кортикальных нейронах показали, что они действительно обладают новыми качествами, и никто заранее не мог предсказать, какие же стимулы окажутся адекватными для наи более эффективного раздражения рецептивных полей кортикаль ных 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 полто ра 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 инфор мация.
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 кру говой симметрией. Это означает, что линия или граница (перепад ос вещенности) вызывает один и тот же ответ вне зависимости от ее ори ентации. 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 отве там 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 ре цептивных 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 сет чатки не только не оптимальный, но вообще полностью неэффектив ный стимул. Если многие клетки наружных коленчатых тел реагиру ют, хотя и слабо, на диффузный засвет, то корковые клетки, даже от носящиеся к первому корковому уровню и сходные с клетками НКТ, практически не отвечают на такую стимуляцию. Таким образом, пер вая приходящая в голову мысль, что для активации зрительных ней ронов 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 зритель ных 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 устано вить, 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 сет чатки, причем эта тень должна была иметь вполне определенную ори ентацию. Самым удивительным было резкое различие результатов в двух случаях: во-первых, когда ориентация стимула была оптималь ной (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 под тверждено множеством экспериментальных исследований: для кор тикальных клеток адекватным стимулом являются светлые и тем ные ориентированные полоски (рис. 16). Дальнейшие исследова ния показали, что тонкая структура рецептивного поля может быть разной, но принцип у всех полей один и тот же — вытянутые тем ные и светлые полоски, имеющие определенную ориентацию. Най дено три уровня организации рецептивных полей нейронов зри тельной 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 ор ганизации проявляют совершенно иные реакции. Обычно точечные световые стимулы вызывают лишь слабую реакцию этих клеток или вообще неэффективны — для того, чтобы вызвать ответ клетки, снача ла нужно найти определенной участок зрительного поля для предъяв ления стимула (в опытах это означало, что нужно найти соответст вующий участок экрана, перед которым находится животное). Иными словами, сначала нужно примерно определить рецептивное поле дан ной клетки, а после этого выяснить, какая конфигурация является наиболее эффективным стимулом для данной клетки. Обычно оказы валось, что наиболее эффективным стимулом служит линия, движу щаяся в рецептивном поле в направлении, перпендикулярном ориен тации этой линии. Такой линией могла быть узкая полоса света на темном фоне, или темная полоса на светлом фоне, или же прямоли нейная граница между темной и светлой областями. Некоторые клет ки отдавали предпочтение, часто достаточно сильно выраженное, ка кому-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 ре цептивного поля) заметно снижалась при отклонении ориентации в любую сторону от оптимальной на 10—20°; при еще большем отклоне нии реакция круто снижалась до нулевого уровня. Когда ориентация стимула отличается от оптимальной на 90°, типичная клетка, избира тельно чувствительная к ориентации, перестает отвечать вообще.
В отличие от клеток на более низких уровнях зрительной системы нейроны, избирательно чувствительные к ориентации стимула, гораз до лучше отвечают на движущиеся, чем на неподвижные линии. Именно поэтому при стимуляции таких нейронов используют линии, движущиеся через рецептивное поле. Если применить в качестве сти мула 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 оп ределенном 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, горизонталь ная и все промежуточные, наклонные ориентации. Если учесть харак терные особенности окружающего нас мира, который состоит из мно жества по-разному ориентированных линий, то, конечно, можно за дать 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 статис тическая обработка данных. У обезьян в стриарной коре примерно 70—80% клеток обладают свойствами ориентационной избиратель ности. Что касается кошек, то у них, по-видимому, все корковые клет ки чувствительны к ориентации стимула, даже те, которые имеют пря мые входы от наружных коленчатых тел.
Наиболее существенно различие между двумя классами нейро нов — простыми и сложными клетками. Клетки этих двух классов раз личаются по сложности своих ответных реакций. Поэтому сделали ес тественное предположение о том, что клетки с более простым поведе нием 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 цент рально-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 воз буждения 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 возбуждаю щей 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 выра жено возбуждение клетки или ее торможение, т.е. имеет место про странственная суммация локальных воздействий. Было обнаружено также явление антагонизма — взаимного погашения локальных воз действий при одновременной стимуляции возбуждающей и тормоз ной 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 рас стояния 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, выполнен ные 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 ак тивность каждого кортикального нейрона влияет менее пяти генику-ло-кортикальных афферентных волокон. Причем тормозные аффе-ренты могут быть непрямыми и переключаться через другие корти кальные 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 кле ток 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 воз буждающие. Во всех таких гипотетических схемах возбуждающий вход от клетки с on-центром по логике вещей эквивалентен тормозно му 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 уз нать от каких клеток нейрон с простым рецептивным полем получает входные сигналы. Для этого необходимо определить структуру ре цептивных полей предшествующих (нижележащих), их местополо жение 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 ха рактер.
6.4.2. Сложные рецептивные поля
Сложные клетки соответствуют следующему уровню (или уров ням) 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, ориентирован ные 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 не подвижную 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 ре цептивное 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 ориентиро ванную неподвижную линию в определенном участке рецептивного поля. Если же использовать движущуюся линию, то возникает толь ко 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 све товые «щели», полоски или границы, дают импульсный разряд неза висимо 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 оптималь ной.
Между простыми и сложными клетками есть существенное разли чие: у простой клетки реакцию вызывает оптимально ориентирован ная 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 очер ченных возбуждающих и тормозных зон в рецептивном поле простой клетки и с отсутствием их в рецептивном поле сложной клетки. Слож ная клетка дает пример генерализации ответа на линию в пределах широкой области (рис. 17).
Рис 17. Сложное рецептивное поле нейрона из зрительной коры. Ответ нейрона макси мален 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 сти мула 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 органи зована 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 ко роткий 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 последо вательного 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 ак тивность двух клеток, эти клетки оказываются сходными не только по глазодоминантности, но и по оптимальной ориентации стимула. Воз никает вопрос: однотипны ли соседние клетки и по другим свойствам? Ответ будет отрицательным. Положения рецептивных полей в боль шинстве случаев не вполне совпадают, хотя поля обычно перекрыва ются; дирекциональная чувствительность часто бывает противопо ложной, 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 со всем этого свойства, а соседняя — обладать им в полной мере. С дру гой стороны, две соседние клетки очень редко обнаруживают явное различие в оптимальной ориентации стимула или противоположную глазодоминантность.
Предпочитаемая ориентация, так же как и глазодоминантность, ос тается 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 настрой ка 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 прерывают ся в слое 4, где клетки не обладают ориентационной избирательнос тью.
Если же, наоборот, вводить электрод параллельно поверхности коры, то наблюдается удивительно закономерное изменение предпо читаемой 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. Вели чины 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, оп тимальная 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 ре версии, непредсказуем, но обычно она происходит с интервалами в несколько миллиметров.
Наконец, в некоторых экспериментах обнаруживается явление, ко торое 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 возмож ности «видеть» ориентационные группировки и могли лишь попы таться логически вывести их форму из результатов микроэлектрод ных 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 неболь ших зон коры; тогда реверсии и разрывы могли бы указывать на то, что эта периодичность прерывается через каждые несколько милли метров.
В тех областях, где периодичность сохраняется, можно с опреде ленной 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 гра фик — прямая линия, то эта поверхность имела бы вид наклонной плоскости. На таких трехмерных реконструкциях искомые поверх ности 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 при мерно 0,4 + 0,4 мм, т. е. близка к 1 мм. Это вдвое больше толщины полного набора ориентационных пластин, однако порядок величи ны 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 эксперимен та. 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 косвен ных 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, получен ный в опытах с погружением микроэлектрода в стриарную кору кошки параллельно ее поверхности. Каждый раз, когда встречались
клетки с определенной оптимальной ориентацией, производилось ло кальное разрушение ткани; затем после инъекции радиоактивной дез оксиглюкозы включался стимул с полосками одинаковой ориентации. В этих экспериментах была обнаружена явная корреляция между по лучаемым распределением метки на гистологическом срезе и ориента цией стимула.
Наиболее четко удалось выявить ориентационные колонки с по мощью красителей, чувствительных к электрическому напряже нию. При использовании этого метода краситель, чувствительный к напряжению и окрашивающий клеточные мембраны, наносят на поверхность коры наркотизированного животного, и нервные клет ки 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 до статочно много, эти изменения цвета можно уловить с помощью современных методов обработки телевизионных изображений. Г. Блэсдел использовал в своих опытах стимуляцию полосами оп ределенной 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 ориента ции был поставлен в соответствие свой цвет — красный для верти кальной, 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 реак цию клетки, обладающую дирекциональной избирательностью, то со здается впечатление, что при движении линии в одном направлении стимул как бы резко подталкивает клетку и заставляет ее разряжать ся, а при движении в противоположном направлении происходит как бы сбой и стимул становится неэффективным.
Неизвестно, как именно устроены входные сети таких клеток с ди рекциональной избирательностью. Возможно, что на вход такой клет ки подключены простые клетки, реакции которых на движение стиму ла 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 преоб разование могло бы быть осуществлено и в один этап — если сумми ровать на отдельных разветвлениях дендритов сложных клеток вход ные 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 органи зация? Имея в виду, что корковые клетки могут отличаться по поло жению их рецептивных полей, «сложности», предпочитаемой ориен тации стимула, глазодоминантности, по оптимальному направлению движения стимула и оптимальной длине стимульной линии, право мерно 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 кле ток, 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 поло жением 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 экспе риментах. 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 соответ ствующих 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 достаточ но надежно стимулировать корковые клетки и регистрировать их от веты; в результате появилась возможность описывать реакции не только отдельных клеток, но и сравнительно больших групп нейро нов. В эксперименте Д. Хьюбелу и Т. Визелу удалось записать одно временно 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, от водимые одновременно от двух клеток, обычно оказываются разными, и поэтому их можно легко различить. Выполняя такого рода отведе ния от двух клеток, можно отчетливо увидеть, чем различаются сосед ние клетки и в чем они одинаковы.
Уже в первых записях активности корковых нейронов исследова тели обнаружили, что часто две клетки, реакции которых можно реги стрировать одновременно, одинаковы по глазодоминантности, слож ности 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 глу бину, 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 сна чала. 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 опреде лить положение каждой из нервных клеток, активность которых ре гистрировалась. В одном эксперименте (длительностью около 24 ча сов) 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 про пускание 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 реги страции 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 микроэ лектрода, его кончик немного продвигают вперед, регистрируют ак тивность клеток, а затем кончик отводят назад и тогда уже пропуска ют 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 из бирательностью 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 большинст во клеток окажутся сложными. Клетки, реагирующие на концы линий, в слоях 2 и 3 составляют около 20% и в других слоях встреча ются редко. Таким образом, в целом обнаруживается явная корреля ция 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 свой ство суммации по длине). Однако реакция таких клеток становится слабее, когда длина стимула превышает некоторую критическую ве личину (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 ре цептивного поля, почти так же эффективны, как и длинные — ре цептивные 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, раз личия 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 состо яние.
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 соответ ствовали «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 уста новлено (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 ита льянский 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, кото рый, пропуская солнечный луч через трехгранную призму из стекла (1666), впервые наблюдал образование спектральной полосы, состоя щей из гаммы определенных цветов. В 1672 г. он сообщил о преломле нии солнечных лучей при прохождении через стеклянную призму. Оказалось, что белый свет разлагается на цветовые компоненты, обра зующие видимый спектр. При смешении этих компонентов снова по лучается белый свет. Было установлено, что белый цвет неоднороден, это смесь нескольких цветов. Все множество цветов подразделяется на две группы: ахроматические и хроматические. К ахроматическим от носятся белый, черный и серый цвета со всеми своими многочислен ными оттенками (их более трехсот). Все остальные цвета — хромати ческие.
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 характерис тик. Они обладают, кроме яркости, еще цветовым тоном и насыщен ностью. К основным цветовым тонам относятся семь цветов солнечно го спектра. Цветовой тон определяется длиной световой волны. Так, красный цвет длинноволновый, зеленый — средневолновый, а фиоле товый — коротковолновый. Насыщенность хроматического цвета за висит от степени «разбавления» его белым. Смешение трех основных цветов в различных соотношениях определяет все многообразие от тенков. Указав цветовой тон, насыщенность и яркость, можно автома тически 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 раз меров. Частицы эфира могут совмещаться с частицами материи, из которых состоит «дно» глаза, и приводить их в «коловратное» движе ние, при этом «от первого рода эфира происходит цвет красной, от второго желтой, от третьего голубой. Прочие цвета рождаются от сме шения первых».
Еще в самом начале XIX в. Томас Юнг предположил, что все мыс лимые 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 каж дым возможным световым колебанием, мы приходим с необходимос тью к предположению о существовании ограниченного числа рецепто ров 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. Опыт ным 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 разви тие 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 челове ка и у ряда других приматов. Трем типам колбочек соответствуют три типа чувствительности, лежащие в различных частях видимого спект ра — колбочки часто называют просто «синими», «зелеными» и «крас ными» по положению соответствующих пиков в спектре. В классичес кой теории трех основных раздражителей предполагается, что с воз буждением 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 одновремен ном возбуждении волокон всех типов, а ощущение черного — при пол ном отсутствии возбуждения.
Таким образом, согласно теории Ломоносова — Юнга — Гельм гольца, 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 ощуще ние 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 антагонистич ны друг другу. Э. Геринг думал, что этим трем парам соответствуют ощущения черного-белого, красного-зеленого и желтого-синего. Про тивоположные реакции нервных клеток — как бы положительные и отрицательные — он называл соответственно «ассимиляцией» и «дис симиляцией». Позже существование антагонистических нервных про цессов было подтверждено в экспериментах, и это привело к возрож дению теории Э Геринга.
В конце 50-х гг. были получены соответствующие данные. Г. Све-тихин изучал сетчатку рыб, а Р. Де Валуа исследовал реакции нейро нов на цветовые стимулы в наружном коленчатом теле макаки. На ружное коленчатое тело — это своеобразная передаточная станция, связывающая сетчатку глаза с корой больших полушарий. И в сетчат ке рыб, и в НКТ было обнаружено несколько типов совершенно осо бых нервных клеток: такие клетки возбуждались или затормажива лись 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 исследо ваний, выполненных Г. Светихиным и Р. Де Валуа, положение измени лось, а дальнейшие исследования показали, что зрительная система еще более сложна. Каждый фоторецептор сетчатки соединен с несколь кими биполярными клетками и имеет разнообразные синапсы со мно жеством вторичных нейронов. Таким же замысловатым образом бипо лярные клетки соединены с ганглиозными клетками сетчатки
Два первых этапа переработки цветовых зрительных сигналов осу ществляются в сетчатке и в боковом коленчатом теле таламуса. Суще ствование трех разновидностей колбочек отвечает положениям трех-компонентной теории. Это первая ступенька. Вторая связана с бипо лярными и ганглиозными клетками сетчатки и с клетками наружного коленчатого тела. Здесь, как и предсказывал Геринг, действует прин цип 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 участ ка и затормаживается светом другого (оппонентного). Периферия ре агирует на ту же пару оппонентных цветов, но прямо противополож ным образом: цвет, возбуждающий центр, тормозит периферию, и на оборот.
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-зеле ный, 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, веро ятно, в ходе эволюции оно неоднократно редуцировалось или даже исчезало, чтобы потом появиться снова. Почти окончательно доказа но, что многие млекопитающие, включая приматов, не имеют цветово го зрения, а если некоторые из них имеют цветовое зрение, то в руди ментарной форме. К млекопитающим, у которых цветовое зрение слабо развито или отсутствует, относятся мыши, крысы, кролики, кошки, собаки. У сусликов и приматов (включая людей, человекооб разных и большинство других обезьян) цветовое зрение хорошо раз вито. 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 позво ночных 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 жи вотные обладают прекрасно развитым цветовым зрением' оно в высо кой 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 живот ных у нас нет достаточно точных сведений.
В животном мире эволюционное развитие всех пяти чувств, помо гающих живому существу ориентироваться во внешнем мире, проис ходило довольно упорядоченно и это означает, что они имеют опреде ленное значение для выживания. Осязание, обоняние, слух, зрение ис ключительно 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 челове ка? В одном из исследований был выполнен анализ употребления слов, обозначающих цвета, людьми разных национальностей. Сначала испытуемых просили указать слова, которые, по их мнению, непре менно должны входить в минимальный запас слов, обозначающих цвета. Потом испытуемым предъявляли набор из 117 цветовых образ цов (по атласу Мензелла) и просили их назвать. В системе Мензелла цвета располагаются в цветовом пространстве с тремя основными из мерениями: 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 язы ков 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 проти вопоставления 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 не ожиданные соображения. При дневном свете нижняя граница види мого 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 светочувствитель ности 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 — крас ный — желтый — зеленый — синий — коричневый и т. д.) тоже отчасти отражает необходимость добывания пищи. Черное и белое — это вооб ще основа различения света и темноты (например, дня и ночи); крас ное 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 жиз ненным потребностям. Обычно синим или голубым окрашено то, что нельзя потрогать руками (например, небо), или то, что в малых коли чествах утрачивает цвет (вода).
7.2. Цветовая слепота
Наиболее редко встречаются случаи полной цветовой слепоты, или монохромазии. Лица, подверженные монохромазии, воспринима ют мир как черно-белую фотографию. Самым распространенным на рушением цветового зрения является невозможность правильно раз личать 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 доста точно уверенно различать вещества по цвету. В 1794 г. Дальтон сделал в Манчестере доклад о недостатке своего цветового зрения — цвето вой 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 зави симость 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 изолиро ванные цвета, и в этом случае достаточно просто обнаружить, облада ет 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 предполагае мых 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 зре ния, а уменьшение чувствительности к некоторым цветам. Эти нару шения обозначают как протанопия, дейтеранопия и тританопия. Пос ледняя форма встречается чрезвычайно редко. Люди, имеющие эти дефекты, соответственно имеют аномальное цветовое зрение. Это оз начает, 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 зависи мости от восприятия цвета называемой протанопией и дейтерано-пией) — расстройства цветового зрения выражены значительно резче. Врожденное расстройство цветовосприятия встречается приблизи тельно у 8—10% мужчин, у женщин же наблюдается значительно реже — всего около 0,5%.
Нарушения цветовосприятия могут быть врожденными и приоб ретенными 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 основ ных цветов. Так, при отслоении сетчатки чаще всего возможны нару шения восприятия синего цвета. К приобретенному расстройству цве тоощущения 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 не который промежуток времени перестает различать эти цвета, попро сту говоря, они сливаются. В дальнейшем это явление получило объ яснение: оказалось, что при длительном наблюдении зрительная сис тема 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 появле ния адиспаропии можно определить при помощи аномалоскопа. Явле ние это носит временный характер благодаря колоссальным компен саторным возможностям нашей зрительной системы.
7.3. Физиология цветового зрения
Считается, что животное имеет цветовое зрение, если оно может различать стимулы, которые отличаются распределением их спект ральных 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 кости стой рыбе осуществил внутриклеточную регистрацию активности нейронов сетчатки — сначала он принял их за колбочки, но они оказа лись 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 стиму ляции независимо от спектрального состава света, второй тип, назван ный r-g-клетками (красно-зелеными), гиперполяризовался волнами малой длины с максимумом ответа на зеленый свет и деполяризовал ся 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 отве ты, 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 неко торой 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 кле ток наружного коленчатого тела макаки, поразительно сходные с отве тами 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 кото ром 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 зритель ной системы, и, по-видимому, вполне правомерно сравнение психофи зиологических механизмов восприятия цвета у человека и макаки. Р. Де Валуа обнаружил, что многие клетки коленчатого тела активи ровались 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 Ге ринга 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 сине го к желтому или зеленого к красному порождает белый. Результаты опытов на обезьянах особенно хорошо согласовались с формулиров ками Геринга, поскольку две группы цветовых клеток имели максиму мы 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 исклю чительно красными, а тормозящая периферия исключительно зелены ми 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, содержа щем 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 цвето вой стимул. Но реакция на цветовые края и отсутствие ответов на диффузный свет говорит о том, что эта клетка связана и с восприяти ем 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 ос тальных — сине-желтая оппонентность. Рецептивные поля еще при мерно 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; со здается впечатление, что центр и периферия их полей получают оди наковый относительный вклад от всех трех видов колбочек. Эти клет ки 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 оппонент ностью.
Вентральная (нижняя) пара слоев коленчатого тела отличается от четырех дорсальных слоев тем, что состоит исключительно из клеток с широкополосными центрами полей. Эти клетки проявляют любо пытную форму цветовой оппонентности. Центры их полей в несколь ко 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 воспри ятии формы, глубины и движения. Большинство типов клеток, опи санных для нейронов коленчатого тела, встречается также и в сетчат ке. В коленчатом теле они больше обособлены, что облегчает их изуче ние.
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 предпо чтения. 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 обра ботки зрительных изображений.
В 1978 г. появились данные, полученные в результате гистохими ческих 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 полу миллиметра. На препаратах срезов первичной зрительной коры, вы полненных параллельно ее поверхности, выявился узор, напоминаю щий горошек. Эти неоднородности получили название «пузырьки». В нейрофизиологических экспериментах важно было произвести реги страцию электрической активности нейронов, образующих эти «пу зырьки», исследовать структуру их рецептивных полей и цветочувст вительность. Результат оказался совершенно неожиданным. Проходя расстояние в 0,25 мм, равное диаметру пузырька, можно исследовать примерно пять или шесть клеток. Всякий раз при пересечении пу зырька попадавшиеся на пути электрода клетки были полностью ли шены ориентационной избирательности, что заметно контрастирова ло с высокой ориентационной избирательностью клеток, расположен ных вне пузырьков. Этому отсутствию ориентационной специфичнос ти можно было бы дать объяснение: эти клетки могли неизбирательно получать входные сигналы от соседних ориентационных клеток, лежа щих вне пузырьков, и поэтому еще способны были отвечать специфи ческой реакцией на линии (полоски и т.п.), но после объединения всех возможных ориентации всякое предпочтение какой-либо из них исче зало. 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 рецеп тивные поля с центром и периферией. Специально выполненные экс перименты 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 акти вировались длинными волнами (красным светом) и подавлялись ко роткими (зеленым и синим светом), другие вели себя противополож ным 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 соответствую щие типы колбочек, а слово «желтый» — на параллельные входы от красных и зеленых колбочек). Таким образом, эти клетки весьма на поминали оппонентно-цветовые клетки коленчатого тела, обладаю щие только центром («тип 2»). Но в отличие от клеток «типа 2» эти цветокодирующие пузырьковые клетки чаще всего отвечали на боль шие белые или цветные пятна, каков бы ни был спектральный состав света. Они вели себя так, как если бы центральная система рецептив ного поля была у них окружена кольцом оппонентности. Если гово рить 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 антаго низма 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, незави симо от их спектрального состава. Центры рецептивных полей, как и у клеток «типа 2», были в несколько раз больше, чем у клеток коленча того тела «типа 1».
Вперемешку с двойными оппонентными клетками обоих классов (красно-зелеными и желто-синими) встречались и обычные широко полосные клетки с центром и периферией. Эти широкополосные клет ки 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 долж на 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 облас тях 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, по могают 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 воспринима ют и сличают информацию, так что совместно выполняют работу, ко торая недоступна для одного глаза или уха.
Воспринимаемые изображения размещаются в глазах на изогну той поверхности сетчатки, однако, несмотря на это, их можно назвать двумерными. Удивительным в работе зрительной системы является ее способность синтезировать два различных изображения в единое це лостное изображение объектов, расположенных в трехмерном про странстве. У некоторых животных зрительные оси направлены в про тивоположные стороны — это характерно для животных с латераль ным расположением глаз. Переход в расположении глаз от бокового к фронтальному, благодаря чему стала возможной точная оценка рас стояния, сыграл важную роль в тот период, когда у млекопитающих развивались передние конечности, способные держать предметы, ма нипулировать ими и цепляться за ветки деревьев. Для животных, ко торые прыгают с ветки на ветку, быстрая и точная оценка расстояния близких объектов очень важна, и работа обоих глаз, которые совмест но дают стереоскопическое зрение, в высшей степени продуктивна. Кошка имеет фронтальное расположение глаз, работающих совмест но, однако у них плотность фоторецепторов приблизительно одинако ва по всей сетчатке.
На сетчатке животных с фронтальным расположением глаз сфор мировалось особое место, где плотность рецепторов наиболее высо ка — это фовеа. Она возникает только тогда, когда становится необхо димой 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 движе ний глаз. Стереоскопическое зрительное восприятие движений также обеспечивается парными фасеточными глазами насекомых Оно высо ко развито у таких насекомых, как стрекоза, которая хватает свою до бычу 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 вос принимать 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 за кроем один глаз, не меняя при этом положения головы, то кажущиеся направления, в каких нам до того виделись на небе звезды, не изменя ются. 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 сет чатку левого глаза, или же на обе сетчатки сразу. Следовательно, неко торым местам одной сетчатки соответствуют определенные места дру гой сетчатки, т.е. раздражающие их объекты видятся нами в одних и тех же местах пространства. Такие места сетчаток носят название кор респондирующих 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 цент ральные ямки сетчатки следует признать корреспондирующими точ ками. 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 каж дом положении глаз этим корреспондирующим точкам сетчаток соот ветствуют строго определенные точки во внешнем пространстве. Со вокупность 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 оди ночного предмета. Что же происходит, если изображение предмета пада ет в обоих глазах на некорреспондирующие, диспаратные точки сетчат ки? 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 перекрест ный 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 объясня ется тем, что раздражения, падающие на сетчатке влево от центральной ямки, мы отно сим к предметам, находящимся вправо от фиксируемой точки.
Но всегда ли в случае раздражения диспаратных точек возникает двоение? Оказывается, что не всегда. Если несоответствие раздражен ных мест сетчатки не чрезмерно и если это несоответствие к тому же носит односторонний характер (т.е. в обоих глазах раздражение попа дает 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 изображе нии на сетчатке дает нам возможность судить об относительной уда ленности 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 предме ты 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 ме ханизма координации, компенсирующего эти геометрические соотно шения, довольно легко наблюдать, если нарушить конвергенцию, со хранив прежнюю диспаратность. Мозговые механизмы, обеспечиваю щие стереоскопическое восприятие глубины, могут интегрировать наборы линий, воспринимаемые каждым глазом отдельно, синтезиро вать 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 качест венном отношении?
Для того чтобы получить ответ, необходимо вернуться к наружно му коленчатому телу (НКТ) и выяснить, есть ли на этом уровне ней-
роны, имеющие входы от обоих глаз. НКТ — это самый низкий уро вень, на котором уже возможно объединение сигналов от двух глаз на одной клетке. Однако возможность эта, по-видимому, здесь не реали зована — 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 ка кого-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 воздей ствие на реакцию, вызываемую со «своего» глаза. Однако можно счи тать, 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 со ставляет всего лишь около 20—30°. Существенное отличие бинокуляр ного 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, кото рые обслуживают область поля зрения в радиусе около 20° от цент ральной точки фиксации. Однако на следующем уровне коры выявля ются уже бинокулярные клетки, простые и сложные, причем у обезь ян больше половины таких клеток могут реагировать на сигналы от каждого из глаз независимо.
При обнаружении бинокулярной клетки, можно очень точно срав нить 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 про цедура 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 чувстви тельность. 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 уточне ние 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 действи тельно 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 отно сительного доминирования глаза, начиная от клеток, возбуждаемых исключительно с левого глаза, и кончая клетками, отвечающими толь ко на стимуляцию правого глаза
Можно оценить численность различных групп нейронов, сформи рованных 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 пред ставлены 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 кле ток примерно одинакова, причем у бинокулярных клеток достаточно сильно выражено доминирование одного глаза (группы 2 и 5) Гисто граммы показывают, что реже всего встречаются клетки, испытываю щие одинаковые влияния от каждого глаза
Отвечают ли бинокулярные клетки при стимуляции обоих глаз лучше, чем при стимуляции одного глаза? Оказывается, многие клет ки работают именно так — при стимуляции одного глаза они активи руются 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 отвеча ют 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 сис темы 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 живот ного
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 разраба тывалась в исследованиях Д. Хьюбела, Т. Визела, С.Ле Вея и дру гих Опыты этих исследователей показали, что группы клеток стри арной коры с различной глазодоминантностью довольно многочис ленные и были обнаружены раньше всех других функциональных организаций, объединявших нейроны, специализированные на вы делении 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 стимуля цию 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 полови ны 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 раз ной глазодоминантностью чередовались — доминирующим был то один глаз, то другой. Полный цикл этой смены соответствовал при мерно одному миллиметру. Очевидно, если бы можно было видеть структуру коры сверху, она представлялась бы мозаикой, состав ленной из чередующихся зон с доминированием правого и левого глаза.
Чем обусловлено такое чередование, стало ясно после разработки нового метода окраски, позволяющего прослеживать ветвление от дельных аксонов, приходящих из НКТ, и распределение их окончаний в коре. Ветвление одного аксона таково, что тысячи его концевых си напсов образуют в слое АС два или три скопления шириной 0,5 мм, разделенных промежутками около 0,5 мм. Поскольку клетки НКТ мо нокулярные, 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 раз ветвляться 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 не скольких сантиметров в час, другие — нескольких миллиметров в сутки. Для того, чтобы окрасить одиночный аксон, с помощью микро пипетки в него вводят вещества, о которых известно, что они перено сятся по аксону, но не влияют на структуру клетки (например, фер мент 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 возмож ность нежелательной окраски фона.
Организацию нейронов в колонки глазодоминантности, проходя щие в коре от поверхности мозга вплоть до белого вещества, подтвер дили 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 раз мыванию четких зон доминирования правого или левого глаза в слоях, расположенных выше и ниже слоя АС Поэтому можно ожи дать, что клетка, расположенная прямо над центром зоны доминиро вания 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 гла зодоминантности, может оказаться бинокулярной без какого-либо до минирования 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 гла зом, 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 усили ваться влияние другого глаза. Такие плавные переходы контрастиру ют с той внезапной сменой глазодоминантности, которая наблюдается при движении электрода. Если смотреть «сбоку», две совокупности клеток в слое АС выглядят как чередующиеся участки. Однако иссле дователям 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 про странственное размещение могло быть представлено несколькими разными способами: в шахматном порядке, в виде чередующихся чер ных 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 ор ганического вещества (например, аминокислоты, меченной радиоак тивным изотопом — С14) и инъецируют в один глаз обезьяны. Вещест во захватывается клетками глаза, в том числе и ганглиозными клетка ми сетчатки. Помеченные молекулы, по-видимому уже включенные в состав белков, переносятся по аксонам ганглиозных клеток и их окон чаниям 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 ос тавляют на несколько дней в темноте. В результате получается радио автограф, 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 ввес ти в глаз совсем немного радиоактивного вещества. Введение большо го количества радиоактивного вещества способствует излишней кон центрации его в слоях НКТ, что ведет к переходу части радиоактив ной метки из окончаний волокон зрительного нерва в клетки НКТ (в пределах меченых слоев) и дальнейшей транспортировке по их аксо нам в стриарную кору. В результате метка накапливается в окончани ях слоя АС, образуя регулярный узор, соответствующий инъекцииро-ванному глазу. Когда радиоавтограф готов (для этого нужно несколь ко 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 поло сок виден как на одиночном срезе, так и на реконструированном изо бражении. На всех этих радиоавтографах коры меченые участки вы глядят светлыми, а немеченые промежутки между ними — проекции правого глаза — темными. Поскольку из слоя 4 пути к верхним и ниж ним слоям идут главным образом в вертикальном направлении, прямо вверх и вниз, то в трехмерном пространстве зоны глазодоминантности образуют систему чередующихся ломтиков, соответствующих право му и левому глазу.
Другой способ, примененный С. Ле Веем (рис. 19), позволил осу ществить 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 сло жен, он отличается регулярностью, но содержит много петель и за витков, поэтому он здесь мало похож на тот правильный узор, напо минающий 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 прихо дится 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 радиоавто графе 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 низ ших обезьян, шимпанзе и человека. У грызунов и тупайи их не нашли.
Разделение мозга на участки с функционально специализиро ванными 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 по верхности до белого вещества, но изменяется в направлениях, па раллельно поверхности коры. Этот термин («колонковая организа ция») не применяют, когда речь идет о топографическом отображе нии, 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 полу чения 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 чет ких, ясно очерченных полосок в слое АС наблюдается непрерывное распределение метки. Радиоавтограф не показывает никаких призна ков 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 несколь ких миллиметров и лишь позднее, приблизительно к моменту рожде ния животного, втягиваются обратно и окончательно распределяются. Слабая волнистость у новорожденного показывает, что втягивание на чалось 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 окон чаний, так что к четвертой неделе формирование полосок завершает ся. 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 лево го и правого глаза в корковом слое АС развивается нормально даже в случае лишения животного потока зрительной информации. В про цессе 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 увеличи ваться, а число входов от другого глаза соответственно убывает. Даже небольшое начальное неравенство при этом постепенно увеличивает ся, пока всюду в слое 4 (при возрасте животного до одного месяца) не появятся отчетливые полоски с полным доминированием. При закры том глазе баланс нарушается, и на границах полосок открытый глаз получает преимущество.
В опытах были получены решающие доказательства роли конку ренции в атрофии клеток коленчатого тела. Сначала при разрушении у котенка крошечного участка одной сетчатки в области бинокулярно го поля зрения и зашивании другого глаза в небольшой зоне того слоя коленчатого тела, на который проецировался глаз с локальным по вреждением, 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 сфор мированный механизм. Нас интересовало то, каким образом соедине ны между собой его части, как эти части функционируют в каждо дневных 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 обра зом 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 онтогене за, еще не раскрыты, не должен заслонять от нас другой, еще более поразительный факт — из поколения в поколение в мозгу развива ющихся животных действительно устанавливаются нужные связи. В этой проблеме есть две главные составляющие: первая — это гене тическая предопределенность связей между нейронами, а вторая — пластичность и обновление этих связей в течение жизни данного организма. Развитие мозга в значительной мере происходит до рож дения животного, в материнской утробе. Исследования в области сравнительной нейроанатомии говорят о том, что по фундаменталь ному плану строения мозг мало изменился в процессе эволюции. Нейроны специализированного зрительного рецепторного органа — сетчатки — всегда соединяются с вторичными нейронами зритель ной, а не слуховой или осязательной системы. Специфичность свя зей характерна для любой системы мозга. Конечное состояние мозга — это результат как пренатального, так и постнатального раз вития. 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, образо ванием и опытом.
Общий диапазон связей для большинства нервных клеток предоп ределен, причем эта предопределенность касается генетически кон тролируемых свойств. Набор генов, предназначенных для проявления в развивающейся нервной клетке, определяет как будущий тип каж дой нервной клетки, так и принадлежность ее к той или иной сети. Концепция генетической детерминированности пригодна и для всех остальных особенностей данного нейрона — например для используе мого им медиатора, для размеров и форм клетки. И внутриклеточные процессы, и межнейронные взаимодействия определяются генетичес кой 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 — сравни тельно небольшая дивергенция в системе, характеризующейся в ос тальном четкой иерархией. Что произойдет, если крыса вырастет в полной темноте? Дефицит входной информации приведет к пере стройке 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 систе мы заслонила факт постоянного роста и отмирания связей. Предпола гается, что нейроны в нормальном состоянии все время образуют новые связи со своими мишенями. Как только новые синапсы сфор мировались, 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 пластичнос тью. Этот более динамичный взгляд на изменчивость мозга открывает широкое поле для исследований
Пренатальное развитие — тема гигантская. Один из самых инте ресных и самых трудных вопросов состоит в том, как отдельные нерв ные 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 со ставе 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 сто роны, подойти к нужному слою (или к области), а затем в точности к нужной части этого слоя, так что полученная в результате топогра фия станет надлежащим образом упорядоченной; и наконец, оно должно разветвиться, причем веточки должны подойти к надлежа щим частям клетки коленчатого тела - к ее телу или к дендритам. Сходные требования предъявляются к волокну, растущему от наруж ного коленчатого тела к зоне 17 или от зоны 17 к зоне 18. Трудно даже предположить, какие именно факторы оказываются решающи ми среди нескольких основных конкурирующих факторов, к которым относятся механическая наводка, химические градиенты и взаимо действие с комплементарными молекулами вроде того, которое про исходит в иммунной системе. Многочисленные современные иссле дования как будто бы указывают на роль многих различных меха низмов.
Как изменяется постнатальное развитие зрительной системы мле копитающих 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 (пер вичной зрительной) коры — возникает вопрос, сохраняется ли здесь после рождения некоторая пластичность.
В 40—50-е гг. психологи широко экспериментировали со зритель ной депривацией на животных, используя для оценки результатов по веденческие методы. Типичный эксперимент состоял в том, что жи вотное с момента рождения содержали в полной темноте. Когда жи вотных 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 за давать прямые вопросы относительно того, насколько пластична зри тельная система. В опыте недельному, еще слепому, котенку под нар козом сшили веки на одном глазу. Спустя десять недель хирургичес ким 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 по зволили установить определенные зависимости между возрастом и возможностью восстановления зрения после операции. Катаракту у новорожденных, как и у взрослых лечат путем хирургического удале ния хрусталика и имплантации искусственной линзы. После удаления катаракты, например, в восьмилетнем возрасте, результаты не оправ дывали ожиданий: ребенок оставался слепым. Он по-прежнему не мог отличить круг от треугольника. С такими фактами резко контрастиру ют клинические случаи взрослых людей: если у пожилых даже после семидесяти лет развивается катаракта на обоих глазах и они постепен но теряют зрение, то после удаления катаракты (даже после несколь ких лет слепоты) зрение полностью восстанавливается. Зрение может даже улучшиться по сравнению с тем, что было до развития катарак ты, 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 на блюдаемым 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 тре нирующего опыта.
Амблиопия — это частичная или полная потеря зрения, не связан ная 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 сокра щался обычным образом. Однако результаты регистрации активнос ти 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 лока лизуется 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 за ключался в том, что же именно порождает аномалию при закрытии глаза. Сшивание век уменьшает количество света, достигающего сет чатки, 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 контакт ную линзу из пластмассы, по консистенции близкой к материалу, из которого изготовляются мячики для настольного тенниса. Другим животным пришивали на один глаз тонкую просвечивающую мем брану, играющую роль дополнительного века. Пластмасса или пере понка уменьшала количество света всего в два раза, но предотвраща ла формирование каких-либо сфокусированных изображений. Ре зультаты 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 тести ровали 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 возрас та «пациентов» и от продолжительности депривации. Вскоре выясни лось, что возраст имеет решающее значение. У взрослой кошки, у ко торой один глаз был отключен более чем на год, не наблюдалось ни слепоты на этот глаз, ни потери корковых реакций, ни патологии ко ленчатого тела. После многочисленных экспериментов был сделан вывод, что где-то между рождением и зрелым возрастом должен суще ствовать период пластичности, когда депривация приводит к корково му дефекту. Как выяснилось, у кошки этот критический период длит ся 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 макси мума в первые недели критического периода. В это время отключение одного глаза даже на несколько дней приводит к заметному искаже нию гистограммы глазодоминантности. В последующие четыре меся ца время депривации, необходимое для получения явных эффектов, неуклонно возрастает, чувствительность к депривации уменьшается.
При отключении одного глаза на шесть недель в пятидневном воз расте практически отсутствуют клетки, которые отвечали бы на сти муляцию ранее закрытого глаза. Гораздо более кратковременная деп ривация тоже вызывает сильно выраженный эффект, но явно мень ший, чем возникающий при более длительной депривации. В возрасте четырех месяцев чувствительность снижается настолько, что даже от ключение 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 весь ма сходные результаты. У обезьян этот период начинается в момент рождения, а не в возрасте четырех недель, как у кошек, и длится доль ше, постепенно заканчиваясь к году, а не к четвертому месяцу. Чувст вительность наиболее высока в первые две недели жизни, на протяже нии которых всего нескольких дней депривации оказывается доста точно, чтобы вызвать выраженный сдвиг глазодоминантности. Отключение глаза у взрослой обезьяны (независимо от продолжи тельности этого отключения) не вызывает никаких вредных последст вий: у взрослой обезьяны закрывали глаз на пять лет, после чего не обнаружено ни слепоты, ни коркового дефекта, ни сморщивания кле ток 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 предположитель но составляет четыре — пять лет)? У животных, у которых один глаз зашит с момента рождения, территория открытого глаза в слое 4С рас ширяется; вопрос заключается в том, дает ли это какое-либо преиму щество открытому глазу? Ответа на этот вопрос еще нет.
Как бы то ни было, кажется весьма маловероятным, чтобы плас тичность 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 кон тролем самого зрения. Эта идея привлекательна тем, что способность мозга обучаться может избавить его от необходимости заранее про граммировать все детали и может обеспечить достаточную гибкость для адаптации к разнообразным условиям среды. Однако результаты экспериментов показывают, что, по-видимому, в первичной зритель ной коре и, быть может, на нескольких последующих уровнях связи полностью определяются генетическими инструкциями. Значитель ная 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 харак тер нервных связей и сетей усложняются по мере роста и общения с окружающим миром. Основной план развития и структурной диффе ренциации нервной системы определяется генами, но первостепенное значецие имеет индивидуальный опыт. На анатомическое развитие мозга влияет окружающая среда. Это демонстрируется и эксперимен тами с содержанием маленьких животных в сенсорно обедненной среде и результатами опытов по содержанию животных в «обогащен ной» среде.
8.5. Косоглазие
Косоглазие — это непараллельность оптических осей глаз. Косо глазие 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 прослежи вать предметы. Подобное нарушение может быть результатом анома лий глазных мышц или механизмов мозгового ствола, обслуживаю щих движение глаз.
У некоторых детей косоглазие, по-видимому, связано с дально зоркостью. Для правильной фокусировки удаленного объекта хруста лик 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 внут ри глаза; этот процесс называют аккомодацией. Когда человек с нор мальным зрением осуществляет аккомодацию на близкое расстояние, оба глаза автоматически поворачиваются к срединной плоскости (конвергенция). Когда дальнозоркий человек осуществляет аккомо дацию, которая необходима ему для фокусировки даже удаленного объекта, один или оба глаза могут повернуться внутрь, хотя конвер генция в этом случае нежелательна. Если дальнозоркий ребенок не носит очки, поворот глаза может стать со временем постоянной при вычкой.
Косоглазие можно излечить хирургическим путем, изменив мес та прикрепления наружных мышц глаза. Операция обычно с успе хом 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 слу чае 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 пооче редным использованием двух глаз, либо подавлением зрения в одном глазу.
При чередовании глаз предметы фиксируют сначата одним гла зом, в то время как нефиксирующий глаз поворачивается внутрь или наружу, а затем другим глазом, а первый при этом отводится в сторо ну. 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 зри тельное восприятие исчезает. Ребенок, у которого наблюдается чере дующееся косоглазие, всегда подавляет тот или другой глаз, но если проверить зрение в каждом глазу по отдельности, то обычно оказыва ется, что оба глаза вполне нормальны. Некоторые дети с косоглазием
не чередуют глаза, а включают в работу постоянно один глаз при по давлении другого. Постоянно подавляемый глаз быстро теряет, зрение, особенно в области центральной ямки и около нее, и, если это состоя ние 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 исследова ния, выяснить, каковы механизмы этого явления, как оно отражается на развитии зрительной системы и какая часть зрительного пути на рушена.
Во время опытов обнаружили, что после оперативного вмеша тельства котята смотрели сначала одним глазом, а потом другим. Тестирование показало, что каждый глаз в отдельности был нор мальным. Однако регистрация клеточной активности дала удиви тельные результаты: каждая клетка реагировала совершенно нор мально на стимуляцию одного глаза. По мере продвижения элект рода в кору регистрировались клетки, активируемые предъявлени ем изображения правому глазу, а затем — левому глазу. Потом этот ряд обрывался. Иногда в зоне перехода появлялись клетки, активи руемые 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 мо нокулярными. 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 пол ностью или почти полностью перешла в ведение того глаза, кото рый ранее оказывал на нее большее влияние. Чтобы оценить значе ние 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 би нокулярную клетку (это происходит, если рецептивное поле клетки пересекается границей темнота/свет, ориентация которой в точности соответствует данной клетке), то эта клетка будет также активиро ваться изображением на правой сетчатке. Это обусловлено тремя при чинами:
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 сла бая из двух групп входных связей данной клетки становится еще сла бее и часто практически исчезает. Следовательно, это пример патоло гических изменений, вызванных не отсутствием стимуляции, а всего лишь разрывом нормальных временных отношений между двумя со вокупностями 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 че редующимся косоглазием даже после устранения этого дефекта обыч но не восстанавливается способность к восприятию глубины.
Путем длинных микроэлектродных проходок через слой АС иссле дователи выясняли, сохраняются ли полоски, связанные с правым и левым глазом, после закрытия одного глаза и остаются ли нормальны ми 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 до минированием закрытого глаза оказались очень короткими, как если бы полоски были аномально узкими, а полоски, принадлежащие от крытому глазу, соответственно более широкими.
Использование методики с инъекцией метки в глаз и транснейрон ным переносом ее в кору показало заметное сужение полосок, связан ных 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 сет чатке в раннем периоде жизни ведет к глубоким и стойким нарушени ям корковой функции. Связаны ли обнаруженные явления с отсутст вием зрительного опыта или же с нарушением зрительных связей, ко торые сформированы и существуют у родившегося животного? Прак тически 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 обу чение, 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 исполь зует 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 действи тельно 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 специ фичностью. Чем больше времени проходит от рождения до регистра ции, 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 обуче ния.
Подтверждением этого являются результаты опытов на новорож денных обезьянах. У макаки на другой день после рождения зритель ная система обнаруживает поразительную зрелость: детеныши с инте ресом разглядывают все, что их окружает. Клетки первичной зритель ной коры у них проявляют столь же острую ориентационную настрой ку, 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 дете нышей более тонкие слои и более плотная упаковка клеток. С. Ле Вей впервые показал, что даже общая площадь стриарной коры от рожде ния к зрелому возрасту увеличивается примерно на 30%. Если окра сить кору по методу Гольджи или исследовать ее под электронным микроскопом, отличия станут еще более очевидными: у клеток обыч но 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 точнос ти так же, как у взрослого животного. С другой стороны, через месяц после рождения дендриты и синаптические связи все еще не достига ют полного развития. Вопрос «природа или воспитание?» означает: определяется ли постнатальное развитие опытом или все еще протека ет по врожденной программе? Пока нет уверенности в ответе, но, судя по сравнительной нормальности реакций корковых клеток при рожде нии, можно сделать вывод, что нарушение их после депривации обу словлено в основном «порчей» связей, имевшихся к моменту рожде ния, а не невозможностью их формирования без индивидуального опыта.
Второй важный вопрос касается причины этой порчи. На первый взгляд ответ казался почти очевидным. Предполагалось, что деграда ция связей обусловлена их неиспользованием. Эти предположения оказались неверными.
В ходе опыта зашивали оба глаза сначала у новорожденного котен ка, а потом у новорожденного детеныша обезьяны. Если бы наруше ние реактивности корковых клеток, получающих входные сигналы от одного глаза, было обусловлено их бездействием, то отключение обоих глаз удвоило бы дефект; практически невозможно было бы об наружить 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 одер живает 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 исполь зовать для сравнения.
8.7. Восстановление
Возможно ли восстановление нарушенной функции? Это исследо валось на обезьянах после открывания отключенного ранее глаза. Оказалось, что никакого или почти никакого физиологического вос становления 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 физио логическому 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 ано мальной.
8.8. Окружающая среда и зрение
Как влияют особенности условий жизни на формирование зри тельной системы? Это один из аспектов экспериментов со зрительной депривацией. В одном из первых и наиболее интересных опытов ста вился вопрос, будет ли содержание животного в условиях, позволяю щих 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 по казывали чередующиеся черные и белые вертикальные полосы, все остальное время их содержали в темноте. Результатом было сохране ние корковых клеток, реагирующих на вертикальные полосы, и резкое уменьшение числа клеток, предпочитающих другие ориентации. Не ясно, перестали ли клетки с исходно промежуточными реакциями от вечать совсем или они сменили направление на вертикальное. Приме нение очков, позволявших котенку видеть одним глазом только верти кальные, 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 предпо чтением горизонталей. Было найдено очень мало клеток, предпочита ющих наклонные линии. Кроме того, на клетки, активируемые гори зонтальными линиями, влиял лишь тот глаз, который подвергался раньше воздействию горизонтальных линий, а на клетки, возбуждае мые вертикальными линиями, — лишь глаз, подвергавшийся воздей ствию 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. Результа том этих экспериментов было уменьшение числа клеток, чувствитель ных к движению. В другой серии опытов животным показывали толь ко 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 ано малии в функции цветокодирующих нейронов наружных коленчатых тел.
Наконец, появилось множество вопросов, которые всегда возни кают у исследователей, изучающих пластичность нейронных сис тем. Например, содержат ли модифицируемые синапсы такие спе циальные нейромедиаторы или нейромодуляторы, как норадрена-лин, а также ацетилхолин или серотонин. Результаты этих исследо ваний представляют большой интерес, так как в современной нейрофизиологии и нейрохимии накоплен большой эксперимен тальный материал о тонких механизмах пластических преобразова ний 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 жи вотных. Специальные эксперименты, которые выполняются психоло гами и этнографами, помогают в достаточно полной мере представить, как особенности жизненного уклада и среды обитания влияют на осо бенности восприятия зрительных образов внешнего мира.
Наши комнаты почти всегда прямоугольные, и у многих предме тов 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 пред положению, связаны с перспективой, у людей, живущих в другом ок ружении, где мало прямых углов и длинных параллельных линий? К счастью, были проведены некоторые исследования восприятия людей, живущих в подобной среде, и сделаны измерения их восприимчивос ти по отношению к такого рода рисункам.
Представителями людей, живущих в «неперспективном» мире, яв ляются 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 отсутст вуют свободные пространства. Когда этих людей вывезли из леса и показали объекты, расположенные на большом расстоянии, они вос принимали их не как удаленные, а как маленькие. У людей, живущих в условиях западной культуры, подобные искажения восприятия воз никают, когда они смотрят с высоты вниз. По-видимому, непосредст венный опыт — важный фактор в установлении зрительной оценки объектов.
Ученые попытались подробнее изучить явление «иллюзии стре лы» 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 объек тивном 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 вырабаты вать дифференцировки на линии, имеющие различную форму нако нечников 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 сим волов перспективы (хотя им все же свойственны некоторые призна ки 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 иллю зии частично зависят от предварительного зрительного опыта. Факты, полученные в экспериментах над животными, свидетельст вуют, что иллюзии свойственны не только перцептивной системе
294
Глава IV Психофизиология зрительного восприятия
9. Стереоскопическое зрение
295
in
человека, но возникают также и при менее развитых глазах и мозге. Было бы интересно поместить животных в среду, лишенную призна ков перспективы, а затем исследовать их иллюзии. Вполне вероятно, что иллюзий у них не будет. Фактически попытка провести такой экс перимент на рыбах была сделана в лаборатории автора. Но, к сожале нию, эти рыбы погибли, хотя, вероятно, не из-за нарушения воспри ятия.
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 пер спективы 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, ощупываю щих подобные модели. Если будет доказано, что искажения в осяза нии возникают не только вследствие ограниченных сенсорных воз можностей этой системы, тогда иллюзорные искажения будут отнесе ны к числу более общих и фундаментальных фактов, чем это предпо лагается 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, объем ным. 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 удален ности 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 удален ном предмете, то расположенный дальше будет не в фокусе. Меняя форму хрусталика (изменяя аккомодацию), мы получаем возмож ность оценивать удаленность предметов. Управляя положением глаз или хрусталиком, можно оценить удаленность предмета. За исключе нием конвергенции и дивергенции, все остальные показатели, пере численные до сих пор, являются монокулярными. Наиболее важный
механизм восприятия глубины — стереопсис — зависит от совместно го 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 бы стро 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 предме ты, расположенные на разном расстоянии, можно заметить сущест венные 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 утвержде ние 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 коррес пондирующими. Геометрически точка Q , оцениваемая наблюдателем как расположен ная 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 сооб ражений. При рассмотрении этого вопроса учитывается также психофизиология вос приятия, поскольку наблюдатель субъективно оценивает, дальше или ближе точки Р расположен объект. Все точки, которые, подобно точке Q (и, конечно, точке Р), воспри нимаются 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 про екций 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, кото рую мы фиксируем. Ксли же расстояния между проекциями точки будут не больше, а меньше, чем между корреспондирующими точками, то данная точка будет казаться рас положенной 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 располо женными 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-ви димому, не отдавал себе отчета в том, что едва заметное различие в изображениях, проецируемых на сетчатки двух глаз, может способст вовать 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 фикса ции расположен рассматриваемый объект) возникает в тех случаях, когда два сетчаточных изображения несколько смещены относи тельно 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 оп ределении пространственного отношения вещей важно то, что мы пользуемся двумя глазами. Именно поэтому можно правильно оце нивать расстояние, удаленность предметов. При этом исключитель но важную роль играют конвергенция и дивергенция — движения
глаз, которые приводят к сведению или разведению зрительных осей. Движение конвергенции требуется при переводе взора с даль него объекта на ближний. При рассматривании отдаленных объек тов, наоборот, происходит разведение зрительных осей — диверген ция. 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 расстояни ем примерно в 6,25 см и получают различные зрительные изображе ния. В этом легко можно убедиться, если закрыть сначала один, а потом другой глаз. Любой близко расположенный объект будет ка заться 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 исполь зуется в стереоскопе, являющемся важным инструментом для изу чения 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 расстоя нии глаз; таким образом получаются диспаратные изображения, которые воспринима ются 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 на блюдаться 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 гла зом, становятся идентичными. Мы эффективно воспринимаем одним глазом расстояния большие, чем шесть метров.
9.2. Монокулярное восприятие глубины
Расстояние можно воспринимать, смотря и одним глазом, моноку лярно. 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 перспек тива, воздушная перспектива, наполненность промежуточного про странства, загораживание одних предметов другими, различный ха рактер кажущегося движения предметов при движении головы и др. Заметную роль при монокулярном восприятии глубины близких предметов может играть и аккомодация, усиливающаяся по мере при ближения фиксируемого предмета и ослабляющаяся при его удале нии.
Все, что до сих пор мы говорили о восприятии третьего измере ния, касалось наших оценок относительной удаленности объекта, т.е. его большей или меньшей удаленности по сравнению с некото рой фиксируемой точкой. Как же мы можем зрительно оценивать удаленность абсолютным образом, удаленность от нас самой основ ной фиксируемой нами точки? Обычно мы учитываем в таком слу чае 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 помога ет нам судить о расстоянии от нас видимого объекта, а при доста точно 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 кажу щегося 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 конверген ции мы правильно оцениваем абсолютную удаленность лишь в гра ницах ближайших 2—3 м.
Со зрительной оценкой расстояния тесно связано и наше воспри ятие величины видимых предметов, которая является функцией двух
обстоятельств: во-первых, площади раздражения на сетчатке и, во-вторых, кажущейся удаленности видимого объекта. Если эта послед няя 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 раз ной, хотя бы площадь раздражения на сетчатке оставалась во всех слу чаях одной и той же.
Доказательством является следующий опыт. Пристально посмотрим па какой-ни будь 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 диа метр 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 не ясным. 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 каж дого глаза в восприятии глубины, эта информация каждому глазу предъявляет различную картину (или если различие между восприни маемыми положениями объекта так велико, что слияние изображений невозможно), наблюдается своеобразный и весьма отчетливый эф фект: 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. Од нако можно показать, какая информация используется при этом моз гом. Для этого нужно негативное изображение одной стереопары по местить на прозрачный позитив, сделанный с негатива другой пары. Там, где два изображения идентичны, свет сквозь пластинки не прой дет, но свет пройдет в любой из не совпадающих точек изображения. Возникают картины одних только различий. При этом почти вся ин формация об исходной картине исчезает. Создается изображение, ос нованное 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. Не большая часть волокон мозолистого тела играет некоторую роль в стереопсисе.
О функции мозолистого тела известно сравнительно мало, пото му 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 раз ряд, возникающий в одном полушарии мозга, не мог распростра ниться 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 выяс нить 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 подкрепля лись пищей, а за ошибочные ответы кошки получали наказание — раз давался громкий звонок, и кошку убирали от экрана.
Кошек обучали правильно выбирать геометрическую фигуру и тогда, когда один глаз животного был закрыт маской. Неудивитель но 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 точ ность различения оставалась прежней. Простота решения подобных задач ясна, если учесть анатомию зрительной системы. Каждое по лушарие 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 сохрани лись в целости неперекрещивающиеся. В результате такой перерез ки левый глаз животного оказывался соединенным только с левым полушарием, а правый — только с правым. Идея эксперимента за ключалась в том, чтобы обучать кошку, используя левый глаз, а при
тестировании стимул предъявить правому глазу. Если кошка смо жет правильно решать задачу, то это будет означать, что необходи мая информация передается из левого полушария в правое по един ственному известному пути — через мозолистое тело. В этих'усло виях кошка по-прежнему успешно решала задачу. Животные, у ко торых предварительно были перерезаны и хиазма, и мозолистое тело, задачу не решили. Таким образом, было установлено, что мо золистое 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 исклю чало 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 толь ко на внутренней границе поля 17, в зоне, получающей входные сиг налы от длинной, узкой вертикальной полоски в середине поля зре ния: при стимуляции маленькими пятнышками света ответы появля лись только тогда, когда свет вспыхивал на вертикальной средней линии или поблизости от нее. Если кору противоположного полуша рия 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 хиаз му по средней линии, регистрировали ответы в поле 17 вблизи грани цы с полем 18. Они отыскивали те клетки, которые могли активиро ваться бинокулярно. Любая бинокулярная клетка этой области в пра вом полушарии должна получать входные сигналы как прямо от пра вого глаза (через НКТ), так и от левого глаза и левого полушария через мозолистое тело. Выяснилось, что рецептивное поле каждой би нокулярной 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 полови ну, — от левого глаза. Другие свойства клеток, исследованные в этом эксперименте, включая ориентационную избирательность, оказались
идентичными.
Микроэлектродные отведения непосредственно от той зоны мозо листого тела, где имеются волокна, связанные со зрительной систе мой, 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 отве чавших 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 обра зом, оно как бы склеивает две половины изображения окружающего мира.
Эксперимент Берлуччи и Ризолатти дал одно из наиболее ярких подтверждений специфичности нейронных связей. Клетки, соединен ные через мозолистое тело, приобретают свою ориентационную изби рательность 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, спо собность 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 составля ют 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 ре зультаты показывают, что мозолистое тело таким же образом свя зывает те участки коры, которые активируются кожными и сустав ными рецепторами, расположенными вблизи средней линии тела на туловище и голове, но не связывает корковые проекции конечнос тей.
Каждая область коры соединяется с несколькими или даже многи ми другими областями коры того же полушария. Например, первич ная зрительная кора связана с полем 18 (зрительной зоной 2), с меди альной височной областью, со зрительной зоной 4 и еще с одной или двумя областями. Многие участки коры имеют также связи с несколь кими областями другого полушария, осуществляемые через мозолис тое 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 опреде ляются относительным горизонтальным смещением изображений на сетчатках двух глаз? Как отвечают клетки нижних уровней зритель ной 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 распреде лены 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 ней ронов составляют бинокулярные клетки, отвечающие на стимуляцию обоих глаз. При тщательном тестировании выясняется, что ответы этих клеток, по-видимому, мало зависят от относительного положе ния проекций стимулов на сетчатках двух глаз. Рассмотрим типичную сложную клетку, которая отвечает непрерывным разрядом на движе ние 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 корреспонди рующие участки двух сетчаток. Величина несовмещения стимулов по горизонтали (диспаратность), при которой клетка уже перестает реа гировать, 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 об наружены в поле 17 обезьяны. Эти клетки весьма чувствительны к расстоянию объекта от глаз, которое кодируется в виде относительно го 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; на сколько известно, они сходны с обычными сложными клетками верх них слоев коры, но обладают еще дополнительным свойством — чув ствительностью 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 нейро ны, которые лучше всего реагировали не на нулевую диспаратность, а на небольшие отклонения от нее; по-видимому, в коре могут быть спе цифические 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 ре цептивных монокулярных поля.
Было показано, что в первичной зрительной коре кошки сущест вуют бинокулярно управляемые нейроны. Правильно локализован ные 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 толь ко одного глаза. Под правильной локализацией имеется в виду попа дание зрительного образа в определенные участки сетчатки, соответ ствующие контра- и ипсилатеральному глазу. Оказалось, что самым существенным параметром для получения максимальной реакции клетки является диспаратность рецептивных полей двух глаз. У мно гих бинокулярно управляемых нейронов были замерены горизон тальные и вертикальные диспаратности. По вертикали диспаратнос ти 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 различе ние глубины у кошек.
Во время опытов исследователи погружали микроэлектрод пер пендикулярно поверхности' мозга, чтобы изучить кортикальные ко лонки в соответствии с их бинокулярной функцией. О колонках из вестно, что все клетки одной колонки имеют одинаковую предпочти тельную 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 соседни ми колонками диспаратность может быть 0,6°.
В колонках постоянного направления рецептивные поля всех би нокулярных единиц перекрываются на сетчатке, контралатеральной полушарию, содержащему колонку. Для ипсилатерального глаза они больше рассыпаны в горизонтал эном направлении. Поэтому горизон тальная диспаратность сильно меняется от клетки к клетке и вся ко лонка 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 вер тикальную 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 диспа ратность. Филогенетически более молодые входы от испилатеральной сетчатки не имеют точной локализации. Поэтому анатомический раз брос ретинотопологии автоматически приводит к формированию би нокулярных нейронов, связанных с точками ипсилатерального для каждого участка контралатерального зрительного поля. Свойство би нокулярно 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 клет ке. Наиболее эффективен тот стимул, который соответствующим об разом 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 направле ния. В объединении и разъединении движения глаз могут участвовать два типа клеток.
Колонки глубины и колонки направления. У колонок направле ния 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 ма леньких различий в диспаратности горизонтальных сетчаточных об разов, что связано с расстоянием до объекта. Рецептивная ось (зри тельное направление рецептивного поля) — это линия взора через об ласть рецептивного поля, дающая максимум разрядов нейрона при оптимальном стимуле. Эксперименты доказали, что область макси мальных 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 направле нию друг от друга — к ощущению большей удаленности. Предполо жим теперь, что мы делаем одновременно обе эти операции. Очевид но, что рассматривание такой стереопары могло бы привести к вос приятию 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 оди наковые изображения на сетчатках. В действительности данная пара стимулов может быть воспринята только как два предмета в плоскос ти фиксации. Мы до сих пор не знаем, как мозг разрешает эту неодно значность и выбирает простейшую из всех возможных комбинаций. Из-за такого рода неоднозначностей трудно даже вообразить, как нам удается воспринимать объемной сцену, включающую множество вет вей разной величины, находящихся на разных расстояниях от нас. Правда, физиологические данные подсказывают, что задача, возмож но, 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 разли чающиеся изображения, то часто одно из них перестает восприни маться. 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. Од нако 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 появляет ся другой. Иногда можно увидеть как бы мозаику из двух этих изобра жений, 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» ис пользуется 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 зре ния можно предположить, что «принятие решений» в этом процессе происходит на достаточно ранних этапах переработки зрительной ин формации.
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 пол ностью, 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, не известны.
9.6. Стереослепота
Если человек слеп на один глаз, то очевидно, что он не будет обла дать 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 испы туемым, то обнаружится, что четыре или пять из них не имеют стерео эффекта. Интересно, что в повседневной жизни они не испытывают никаких неудобств. Это может показаться странным, потому что люди, имеющие нормальное стереоскопическое зрение, с трудом мо гут приспособиться к видению одним глазом. Очевидно, отсутствие стереопсиса достаточно хорошо компенсируется использованием дру гих признаков глубины, таких как параллакс движения, перспектива, частичное перекрывание одних предметов другими. В основе наруше ния стереопсиса лежат многие причины, например, косоглазие, когда глаза долгое время работают несогласованно. В этом случае происхо дит нарушение связей в коре головного мозга между нейронами, кото рые обеспечивают бинокулярное видение, и в результате нарушается стереозрение. Косоглазие встречается не так редко, а даже слабая сте пень косоглазия, которая остается незамеченной, бывает причиной на рушения стереопсиса. В некоторых же случаях стереослепота может быть наследственной.
10. Карты коры
Теперь, когда многое стало известно о топографическом представ лении в коре параметров ориентации и глазодоминантности, есть воз можность рассмотреть взаимосвязь между этими отображениями и проекциями зрительных полей. Отображение сетчатки на кору значи тельно сложнее, чем взаимно однозначное отображение, так как каж дая клетка получает входные сигналы от тысяч палочек и колбочек, а ее рецептивное поле является не точкой, а достаточно сложной орга низацией. Можно предположить, что элемент поля зрения проециру ется 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, появив шаяся 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 ре цептивными 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 опы тов показывают, что нейроны, обладающие некоторыми общими свой ствами, группируются по этому свойству. Тогда если клетки со сход ными свойствами упаковываются вместе, то почему при продвижении электрода наблюдается последовательное изменение ориентации не большими шагами' Почему, пройдя все возможные варианты ориен тации, 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 раз ной ориентацией действительно оказывают тормозное воздействие друг на друга. Как ограничивается влияние одной какой-то клетки на другие ориентации, отличные от ее собственной? Нетрудно предполо жить, что существуют тормозные связи, обостряющие настройку дан ной 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 ори ентацией, а тормозные связи достаточно короткие. Однако пока слиш ком 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 меха низмы, необходимые для полной обработки определенного участка поля зрения, который очень мал в области центральной ямки и гораз до больше на периферии. Такой участок, получающий десятки тысяч входных волокон от наружного коленчатого тела, перерабатывает по ступающую 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 одно му 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 пло щади с периферии сетчатки. Выходные сигналы такого участка выра батываются без всякого учета того, какой по величине и с какой степе нью детализации участок поля зрения здесь анализируется. Набор ме ханизмов 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 микроско пическом 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 соответст венно 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. Одна ко 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 соответст вующих колонок 0,5 мм, поэтому 2-миллиметрового блока более чем достаточно для полного анализа. Таким образом, блоки попере чником в 2 мм обладают, по-видимому, полным набором необходи мых 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 обра зования 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 не зависимо от того факта, что любая заданная область поля зрения об служивается набором локальных механизмов, размещенных в не скольких 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 помес тить 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 боль шее число входных переменных. Для этого в качестве основных пара метров выбраны две переменные, определяющие координаты в поле зрения расстояния от центральной ямки по горизонтали и по вертика ли. На полученной координатной сетке в виде более тонкой мозаики дополнительно отображены и другие переменные, такие как ориента ция стимула и глазодоминантность.
Участок коры с поперечником 2 мм называется модулем. Модуль начинается с клеток, выделяющих вертикальную ориентацию, и за канчивается следующей группой клеток, которые тоже выделяют вер тикальную ориентацию; за начало можно принять и любую другую ориентацию, лишь бы в каждом модуле все ориентации были пред ставлены хотя бы по одному разу. Так же обстоит дело и с глазодоми нантностью — 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 глазодоми нантности, по одному для каждого глаза. Величина модуля будет за висеть 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 зри тельной 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. Бинокуляр ное 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 ко лонки полностью исчезают и корковые механизмы становятся «моно-
312
Глава IV Психофизиология зрительного .восприятия
кулярными». Ввиду этих, а также и других различий, которые, несо мненно, имеются, соответствующие корковые структуры должны быть в чем-то неоднородными. Поэтому корковые модули, вероятно, не все совершенно одинаковы.
I
Глава V. Психофизиология алкоголизма и наркомании
С древних времен известно, что различные вещества растительно го и животного происхождения вызывают патологические состояния. В историческом развитии почти каждая культура экспериментирова ла с растениями, что и привело к накоплению знаний о многих психо активных ядах, известных сегодня. Важными моментами в древней психофармакологии явилось открытие и использование алкоголя, ко нопли и опиума в Европе, кофеина, никотина, кокаина в Азии, а также растений — галлюциногенов, таких как мескаль (неколючий, полу круглый кактус, растущий в Мексике и на юго-западе США) и неко торых разновидностей грибов. Из мескаля добывали мескалин — гал люциногенный алкалоидный яд, а из грибов в доколумбовой Америке получали псилоцибин. С развитием психофармакологии в XIX в. свя зано извлечение сильного болеутоляющего морфина из опиума, вве дение в дользование закиси азота, эфира и хлороформа и раннее ис пользование 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 последстви ях неконтролируемого употребления этих средств: об адской зависи мости от героина, о риске передозировки, об опасностях состояния алкогольного опьянения, об умственной деградации человека, упо требляющего алкоголь и наркотики, о повышении вероятности забо левания раком при курении. И тем не менее люди продолжают упо треблять психотропные средства. Причины употребления этих веществ самые разные: одни применяют их как болеутоляющие сред ства, 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 ма рихуана, 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 видоиз меняя, либо мешая некоторым нервным центрам нормально выпол нять свою функцию. Теперь известно, что механизмы действия нарко тических веществ связаны с изменениями взаимодействия в работе разных медиаторных систем мозга. Основа действия наркотических веществ, как правило, в конкуренции за места на рецепторах, чувстви тельных к определенным видам медиаторов — веществ, ответственных за синаптическую передачу сигналов от одного нейрона к другому. Отсюда и изменения в приеме, передаче и обработке информации. Не которые психотропные агенты фактически способны заменять эти нейромедиаторы, вызывая более значительные или просто качествен но 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 алко голь. 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 ве ществ. Причина алкоголизма кроется в комбинации целого ряда пси хологических, физиологических, социальных и генетических факто ров. Для него характерна эмоциональная и часто физическая зависи мость, он часто приводит к повреждению мозга и ранней смерти. Пер воначальное его действие действительно носит позитивный характер: человек освобождается от некоторых внутренних тормозов, становит ся шумным и возбужденным, способным иногда сделать такое, на что он, вероятно, никогда бы не отважился в иных обстоятельствах. Одна ко увеличение дозы алкоголя приводит к снижению активности орга низма. 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. ве щество, подавляющее нервную систему. Угнетая деятельность дыха тельных центров ствола мозга, нейродепрессанты уменьшают ^поступ ление кислорода в мозг, влияя таким образом на его деятельность. Это ведет к плохой координации движений, сбивчивой речи, нечет кости мышления, а также к прогрессирующему торможению меха низмов ретикулярной формации, обеспечивающих бодрствование и внимание.
Злоупотребление алкоголем в течение длительного времени при водит к сильным изменениям в организме: он оказывает прямой седа-тивный и токсический эффект, снимает необходимость заботы о пита нии и других первостепенных потребностях. В результате для восста новления 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 трав мируются. Возникают галлюцинации, затемнение сознания, тремор. Последние симптомы включаются в наиболее серьезный алкогольный синдром — белую горячку, которая может привести к фатальному ис ходу, несмотря на лечение. Это противоположно отключению, возни кающему под действием наркотических веществ (таких как героин), которое, хотя и приводит к бедственному положению, все же редко заканчивается смертью. Недавние исследования показали, что посто янное употребление алкоголя во время беременности является причи ной ущербности новорожденных детей.
Алкоголизму чаще подвержены мужчины, но употребление алко голя среди юношей и женщин возрастает с каждым годом. Потребле ние алкоголя постоянно увеличивается в США, бывших республиках СССР, западноевропейских странах.
Алкоголь влияет на состояние человека и животного. Из исследо ваний, выполненных на уровне поведения, известно, что при употреб лении алкоголя происходит ухудшение памяти, способности к распо знаванию образов различных модальностей. Однако отсутствуют дан ные о том, что именно лежит в основе подобных нарушений. Каковы конкретные физиологические механизмы, которые обеспечивают это явление? Влияние острого введения этанола на разные формы поведе ния животных и человека исследуется во многих работах психологи ческого, 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 непосредствен но в нейроне и на его мембране. В частности, показано избирательное действие этанола по отношению к каналам Са-проводимости. Исполь зование этанола для получения феномена обучения, зависящего от со стояния (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 отдель ных 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 оп ределенных структур мозга, как изменяется работа клетки при дейст вии различных концентраций этанола, как модифицируется ее плас тичность в разных звеньях ее активности — на уровне процессов, свя занных 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, находя щихся в системе, и на изолированных нейронах виноградной улитки, которые в данном случае применяются в качестве биологической мо дели для исследования механизмов памяти.
Действие этанола на активность нейронов зависит от целого ряда факторов: от дозы, концентрации в крови и ликворе, способа введе ния, вида наркоза. В экспериментах на кроликах показано, что наибо лее чувствительны к действию этанола палео- и неокортикальные об разования, в том числе структуры лимбической системы. Реорганиза ция активности лимбических структур является существенным зве ном в механизмах формирования потребности в алкоголе. В одном из опытов исследовали активность нейронов коркового отдела лимби ческой 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 срав нению с другими областями коры количество терминалей, содержа щих дофамин, нарушение обмена которого играет, по-видимому, клю чевую 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 жи вотных. Из результатов этих опытов можно сделать следующие выво ды: 1) этанол вызывает специфическое снижение возбудимости ней ронов, 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 измене нию синаптической передачи, влияя на высвобождение медиатора и на мембрано-связанные хеморецепторы. Тем не менее, непонятно, яв ляется 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 непо средственно воздействуют на ЦНС и какого вида изменения электри ческой возбудимости и хемочувствительности возникают при дейст вии этанола на нейроны. Частично ответы на эти вопросы получены в опытах с использованием внутриклеточной регистрации электричес ких процессов. В качестве стимулов в опытах использовали микроап пликации ацетилхолина (АХ) и внутриклеточные деполяризацион-ные импульсы электрического тока, вызывающие генерацию ПД и ак тивацию пейсмекерных потенциалов.
Время пребывания нейронов в этанолсодержащих растворах не превышало 15—60 мин. На фоне стабильного уровня МП обнаружи лось уменьшение амплитуды исходного ответа на АХ вплоть до пол ного его исчезновения. Крайне редко проявляется повышение чувст вительности. 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 по нимания механизмов действия этанола на рецепторы мембраны. По вышение чувствительности обнаружили только для нейронов, имев ших 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 хемочувствительнос ти зависит от концентрации этанола в физиологическом растворе. Это означает, что при действии одной концентрации эффект может заклю чаться в повышении хемочувствительности, а при другой — в ее сни жении вплоть до полного исчезновения. Интересно также то, что наи более 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. Фак тически 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 рас творе При инкубации нейронов в течение менее 60 мин погибает около 30% нейронов, из них 12% — при инкубации в 1%-ном этанолсо держащем 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 зареги стрированных нами случаях обнаружено как полное выключение спайкогенерации и пейсмекерной активности, так и явление актива ции 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, развиваю щихся при действии этанола, применили метод замещения нормаль ного физиологического раствора безнатриевым и бескальциевым рас творами, а также этанолсодержащим безнатриевым и бескальциевым растворами. Результаты показывают, что при действии этанола изме нения электрогенеза и состояния пейсмекерного механизма отража ются прежде всего в изменении рисунка ответа на прямое электричес кое раздражение. Контрольные опыты свидетельствуют, что, если генез ПД определяется в основном ионами Са++, то действие этанола приводит к значительным изменениям характера ответа на электри ческий стимул. Если же ПД оказываются натрийзависимыми, то дей ствие этанола на структуру ответа выражено в меньшей степени.
На основании проведенных опытов можно предполагать, что каль циевые и натриевые процессы, обеспечивающие генерацию ПД и ак тивацию пейсмекерного механизма, имеют разную чувствительность к этанолу. Наиболее высока она у кальциевой системы. Влияя на кальциевую проводимость, этанол не только изменяет структуру отве та нейрона, но и нарушает генез ПД, тем самым изменяя функцио нальные возможности нейрона. Опыты, проведенные на изолирован ных нейронах виноградной улитки, доказали, что действие этанола непосредственно на хемочувствительность и электровозбудимость эф фективно даже при его концентрации 0,01% в нормальном физиологи ческом растворе. Влияния на электрическую активность нейронов за висят от концентрации этанола в окружающем физиологическом рас творе и различны для разных концентраций. Действие этанола специ фично 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, направлен ные на исследование тонких синаптических и эндонейрональных меха низмов действия этанола, демонстрируют глобальность изменений в ра боте клеток после воздействия этого вещества и разнообразие проявле ний этого влияния. Как же отражается изменение активности нервных клеток на функционировании нейронных систем, опосредующих реали зацию определенных форм поведения? В создании нейронной системы принимают участие элементы многих структур мозга, которые характе ризуются различиями метаболических процессов и нейрофункциональ-ных специализаций. Результаты опытов, выполненных на разных уров нях, показывают, что кроме прямого действия на мембрану нейрона эта нол, 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 соответствую щих групп нейронов в обеспечении данной формы поведения. В экс периментах на кроликах, обученных инструментальному пищедобы-вательному поведению, Ю.И. Александров и его коллеги (1990, 1991) выясняли, какие изменения активности нейронов лимбической и мо торной области коры соответствуют нарушению этого поведения, вы званному 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 чув ствительным к действию этанола. После введения этанола число ак тивных нейронов и паттерн специализации нейронов моторной коры остается неизменным. Тем не менее набор вовлекающихся в обеспече ние поведения нейронов моторной коры изменяется за счет вовлече ния в этот процесс одних клеток и исключения других. Величина от ношения частоты активации к частоте фона вовлекающихся нейронов возрастает. В моторной коре число активных нейронов после введе ния этанола не изменялось. Оставался неизменным и паттерн их пове денческой специализации, ни для одной из групп не было обнаружено внутригрупповых изменений соотношения числа нейронов разных подгрупп. Постоянство паттерна специализации обусловило и неиз менность «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 различ ную поведенческую специализацию, сформированную в обучении), об наруживаемых в моторной коре, не изменилось. Это позволяет предпо лагать, что группа О-нейронов не гомогенна. В пользу этого предполо жения свидетельствует также полученный ранее факт о различной вы раженности влияния этанола на О-нейроны, лежащие в разных слоях коры. Однако стабильность паттерна специализации и «суммарной картины» активности в моторной коре не означает неизменности со става нейронов. После введения этанола обнаруживается уменьшение представленности вовлекающихся нейронов в верхних слоях и увели чение в нижних. Эти изменения являются функциональными, не свя занными с гибелью нейронов. Результаты опытов, выполненных на кроликах в свободном поведении, показывают избирательное угнетаю щее влияние этанола на фоновую активность. Это избирательное угне тение может быть следствием как прямого, так и непрямого влияния этанола. С применением метода ионофореза было показано, что хими ческая чувствительность спонтанной активности и отдельных фаз вы званных разрядов у определенных нейронов различается. Такое разли чие химической чувствительности может быть основой прямого изби рательного влияния этанола на фоновую активность.
Известно, что лимбические структуры играют существенную роль в процессах формирования зависимости от алкоголя, количество ак тивных нейронов в лимбической коре животного достоверно умень шается по сравнению с контролем (введение физиологического рас твора). 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 ко личество О-нейронов, специфически чувствительных к действию эта нола, достоверно превышает количество Д-нейронов. Количество активных нейронов в проходке микроэлектрода по сравнению с кон трольными опытами уменьшилось на одну треть. Паттерн специали зации нейронов антеролатеральной моторной коры кроликов в норме характеризуется обратным по сравнению с лимбической корой соот ношением О-нейронов и остальных групп клеток. О-нейроны состав ляют в моторной коре незначительное меньшинство.
Паттерн поведенческой специализации нейронов, зарегистриро ванных в лимбической системе, после введения этанола изменился. Количество нейронов в новых системах, сформированных при обуче нии 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 об ластей коры: изменение набора нейронов, вовлекающихся в обеспече ние поведения; уменьшение числа нейронов, принадлежащих ко вновь сформированным системам; угнетение межсистемных отношений.
Число нейронов, выявляемых в микроэлектродном треке, умень шается 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 нейро нов, специализированных относительно систем, формируемых на на чальных и завершающих стадиях обучения, изменяется: первых — возрастает, вторых — падает. Нарушению пищедобывательного пове дения при остром введении этанола соответствует уменьшение числа активирующихся в поведении нейронов лимбической коры и измене ние паттерна активности нейронных систем.
Является ли избирательное угнетающее действие этанола на ней роны новых систем закономерностью, общей для разных видов живот ных? 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 по ведения может лежать феномен диссоциированных состоянии. Многократно описанное в литературе явление диссоциации может выражаться как в невозможности реализовать в одном состоянии по ведение, сформированное в другом состоянии, так и в ухудшении ха рактеристик его реализации. А.А. Азарашвили (1981) выдвинул гипо тезу, объясняющую феномены диссоциированного обучения: при вве дении фармакологического вещества формируется «нейронная сеть», отличающаяся от той, которая реализовывала определенное поведе ние в норме. Факты, полученные в опытах с использованием этанола в ситуации обучения пищедобывательному поведению, подтверждают
21-1015
322
Глава V Психофизиология алкоголизма и наркомании
I
1 Психофизиология алкоголизма
323
эту гипотезу. Для достижения результатов при остром введении эта нола формируется особая система, отличающаяся от исходной по числу и паттерну активности нейронов. Различие сравниваемых ин теграции, по-видимому, возрастает от более старых к более новым системам. Реализация инструментального пищедобывательного пове дения 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 ак тивных нейронов лимбической коры и изменение паттерна их пове денческой специализации. Зависимость действия этанола от специа лизации нейрона проявляется в том, что процентное содержание ней ронов, обеспечивающих реализацию наиболее новых систем, сформи рованных при обучении животных инструментальному поведению, уменьшается, а нейронов, обеспечивающих реализацию систем, сфор мированных на предыдущих этапах индивидуального развития, уве личивается. 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 струк тур, но и с различием свойств нейронов этих областей, принадлежа щих к одному и тому же типу поведенческой специализации. Неиз менность числа активных нейронов и паттерна их специализации не означает, тем не менее, что этанол не влияет на участие нейронов мо торной коры в обеспечении поведения. В моторной коре, так же как и в лимбической, набор вовлекающихся в обеспечение пищедобыва тельного поведения нейронов изменяется за счет рекрутации в этот процесс одних клеток и исключения других. Кроме того, значимо из меняются частотные характеристики импульсной активности вовле каемых нейронов.
Проведенное сопоставление показывает, что различия между эф фектами 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 внутриклеточ ная активность отдельных нейронов во время обучения на фоне дейст вия 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 полнос тью блокировать развитие пластических эффектов. Нарушение плас тичности 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 заме щаются противоположным по направлению эффектом — вместо при выкания 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 произ водилось изменение ионного состава физиологических растворов, по казали, что при длительном действии этанола происходит нарушение динамического взаимодействия каналов кальциевой и натриевой про водимости. Можно предположить, что именно это звено является кри тичным для искажения пластических перестроек нейронной актив ности 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 доме нами, гидрофобными местами белков или же и теми и другими. Один из подходов, направленных на понимание природы действия алкого ля, заключается в том, чтобы идентифицировать нейрохимические процессы, которые изменяются in vitro при действии умеренных доз этанола. Эти нейрохимические события могли бы представить потен циальные 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 вза имодействие этанола с определенными липидами и протеинами.
Известно, что ионные каналы мозговых мембран чувствительны к действию этанола, но это вовсе не означает, что эти каналы действи тельно являются местом, ответственным за алкогольную интоксика цию. Исследование роли ионных каналов в алкогольной интоксика ции особенно продуктивно при использовании генетических манипу ляций. Они ценны для алкогольных исследований, потому что объединяют нейрохимические и поведенческие методы анализа. Ин дивидуальные различия в психологических, биохимических и пове денческих ответах на фармакологические агенты известны уже в тече ние 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 окружаю щей среды. Фармакогенетика как раз и пытается выявить вклад гене тических факторов в это явление. В фармакогенетике применяют спе циально сформированные группы животных, чтобы отделить генети ческие 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 опреде ленное место на хромосоме и контролирует развитие одного из видов алкоголизма, реализуя функцию активирования допаминовых рецеп торов клеток мозга.
Ученые высказали предположение о том, что этот ген может кон тролировать тяжесть алкоголизма и его медицинские последствия, на рушая нормальную допаминовую передачу. Это кажется более вероят ным, чем контроль основной причины заболевания. Допамин — важ ный нейротрансмиттер, который в норме помогает в регуляции поведе ния, связанного с поиском удовольствия (pleasure-seeking behavior).
«Мы нашли ген, который скорее модифицирует поведение, но не является причиной алкоголизма», — таково мнение психиатра Э. Но беля. 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 регистра цию и сообщения членов семей, чтобы определить, в какой мере паци енты соответствуют различным критериям алкоголизма ИзА-за того, что большая часть алкоголиков потерпела поражение при попытках реабилитации и погибла в результате употребления алкоголя, иссле дователи сделали вывод, что эти люди пострадали именно из-за раз ных заболеваний.
Результаты другого исследования ставят под сомнение существо вание гена алкоголизма. Исследователи изучили ДНК 40 алкоголиков и 127 неалкоголиков, включая 62 больных с определенными болезня ми (фиброз). В обеих группах ген допаминовых рецепторов был иден тифицирован примерно у трети добровольцев. Ученые взяли интер вью у всех участников эксперимента, что позволило провести более тщательные диагностирования алкоголизма, чем это было выполнено группой Нобеля.
Но Нобель и Блюм, подвергшие проверке результаты исследова ний этой группы, обнаружили, что на самом деле полученные факты подтверждают связь между геном допаминовых рецепторов и тяже лым алкоголизмом. В соответствии с их анализом, проявление гена увеличилось с 25 % в неалкогольном контроле (включая тех пациен тов с фибромой, которые часто умирали еще до того как разовьется алкоголизм) до 30 % у 20 алкоголиков, которые не имели медицин ских противопоказаний, и 45% у 20 алкоголиков с медицинскими про тивопоказаниями, такими как цирроз печени.
Изучение хромосом продолжалось. Были выполнены генетические исследования 43 неалкоголиков, 52 тяжелых алкоголиков (алкоголь ная зависимость плюс медицинские противопоказания), 44 менее тя желых 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 паци ентов с тяжелым алкоголизмом и медицинскими противопоказаниями.
Исследователи провели также биохимический анализ мозга 66 из 70 пациентов. Результаты показали, что у алкоголиков определено значи тельно 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 посмот реть 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 физиологичес кие, психологические и социальные Многие физиологические мето ды применяются вместе с психологическими, но чаще они употребля ются и в «чистом виде», даже без каких-либо попыток применить пси хотерапию
2. Психофизиология наркомании
Токсикомания связана с хроническим или периодическим отрав лением, влияние которого на организм весьма значительно Много кратное 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 психологичес кой В обоих случаях существует потребность в данном веществе Когда имеет место физическая зависимость, функционирование ней-ромедиаторсв изменяется так, что организм не может больше обхо диться без наркотика, и если прекратить его введение сразу, то может возникнуть Синдром абстиненции, иногда со смертельным исходом Психологическая же зависимость выражается в стремлении употреб лять наркотик ради удовольствия или чувства удовлетворения, кото рое он доставляет В этом случае при лишении наркотика может воз никнуть синдром абстиненции аффективного происхождения
Название «наркотики» первоначально применяли ко всем вещест вам, 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 явля ется 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, нарко тические анальгетики вызывают острую эйфорию Именно это чувст во частично управляет психикой некоторых личностей, направляя на получение и самоприменение этих веществ При постоянном приме нении для достижения эффекта требуется все большая и большая
доза, а в конце концов возникает психологическая и физическая зави симость, человек становится наркоманом В этом отношении эти ве щества 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 аналь гетиков является морфин, который был выделен и подвергнут хими ческому 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 мор фин Синтезировав эти вещества, ученые рассчитывали подучить мощное обезболивающее средство, не обладающее побочными дейст виями морфия, но их надежды не оправдались Первые же экспери менты показали, что применение этих веществ также вызывает физи ческую и психическую зависимость и привыкание к ним
Опиатные рецепторы. Пути действия наркотических анальгети ков до конца еще не поняты В недавних исследованиях было опреде лено, что специфические области головного и спинного мозга имеют сродство к встраивающимся опиатам, а места связывания опиатов на ходятся в тех областях, о которых известно, что именно там локализу ются центры болевой чувствительности Именно поэтому колоссаль ное значение для понимания природы действия наркотиков и для по иска 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 рецеп тором, специфичным для препаратов морфия Производные мор фия — вещества растительного происхождения или синтетические, и, казалось бы в мозгу животного не должно быть рецепторов, сущест вующих специально для того, чтобы воспринимать такие чуждые ор ганизму вещества Откуда же взялись рецепторы — высокоспециали зированные белковые молекулы возникшие в ходе эволюции, какова их роль в организме? Можно было предположить, что в нервной ткани животных есть собственные морфиноподобные вещества, кото рые 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 систе ме. Поскольку восприятие боли включает как само ощущение боли, так и эмоциональную реакцию на это ощущение, открытие таких ре цепторов в лимбической системе может служить дополнительным подтверждением психологических представлений об эмоциях. Эйфо рия, 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 игра ют 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 выраба тываются гипофизом. По своему эффекту эндорфины схожи с нарко тическими препаратами, в частности, оказывают болеутоляющее и ус покоительное действие. Изучение структуры молекул эндорфинов по казало, 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, по казавших огромное значение связей нервной и гормональной систем. Но эндорфины имеют свою специфику, очень удобную для исследова телей. 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 пре красную экспериментальную модель. Конечно, эндорфинсодержащие нейроны и опиатные рецепторы существуют и в других участках нерв ной системы. Один из таких участков лежит по ходу медленного про водящего пути. Это область серого вещества около сильвиева водо провода, где оканчиваются аксоны нейронов таламуса (средний мозг) и моста (задний мозг). Инъекции морфина непосредственно в эту об ласть уменьшают боль. Электрическая стимуляция этой зоны вызыва ет выброс эндорфинов и тоже приносит облегчение Стимуляцию с помощью вживленных электродов уже пробуют использовать в кли нике при болях, которые не поддаются никакому другому лечению.
2 Психофизиология наркомании
Энкефалины. Энкефалины — вещества из группы эндорфинов, со стоящие из пяти аминокислот. В 1975 г. из мозга свиньи были выделе ны два коротких пептида, которые были названы «Met-энкефалин» и «Lew-энкефалин». Они различаются одним кислотным остатком. Вско ре такие же вещества обнаружили и в мозге коровы. Было установлено, что выделенные вещества сходны по своему действию с опиатами. Оче видно, что это нейромедиаторы или нейрогормоны, сходные по своему действию с опиатами. Они тоже вырабатываются в организме для сни жения 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 возмож ностях применения этих веществ. Возможно, взаимодействие эндор финов с рецепторами связано с системой, тормозящей передачу боле вых сигналов. Как известно, боль — важный биологический фактор, обеспечивающий сохранение вида. Это сигнал опасности, мобилизую щий защитные силы организма. Эндорфины как раз и являются теми регулирующими субстанциями, которые имеют функцию модулиро вать ответ на боль оптимальным образом.
Роль эндорфинов в регулировании чувства боли кажется совершен но ясной. Хотя восприятие боли необходимо для того, чтобы пре дупреждать об опасности, грозящей мягким тканям и костям, постоян ная сильная боль может полностью вывести нас из строя. Эндорфины регулируют степень боли, которую мы ощущаем, что дает нам возмож ность прервать контакт с источником боли и принять необходимые меры, если произошло повреждение ткани. Предполагается, что подоб ную регулирующую функцию эндорфины выполняют и в эмоциях.
Каково биологическое значение эндорфинов? Энкефалины функ ционируют в мозгу в качестве нейромедиаторов. После открытия эн кефалинов предполагали, что они оказывают обезболивающее дейст вие, участвуют в формировании состояния эйфории, ответственны за отклонения в поведении (при шизофрении). Остается пока непонят ным, почему энкефалины и другие эндорфины образуются в гипофизе в результате расщепления более крупных предшественников, а с дру гой стороны, встречаются в более крупных клетках мозга, высвобож даясь 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 от крытым вопрос о том, не происходит ли синтез эндорфинов в мозгу иным путем, чем в гипофизе. Не выполняют ли молекулы, образован ные в гипофизе, принципиально иные функции? Везде, где были об наружены 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 бо леутоляющее 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 концентраци ях они вызывают состояния, подобные шизофрении, обуславливают не подвижность мышц, утрату мигательного рефлекса и снижение темпера туры 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 не которых мозговых заболеваний, поскольку эксперименты указали на возможную причастность этих веществ к поддержанию нормального поведения. Высказываются предположения, что изменение количест ва 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, вы двинувшего на основании проведенных им экспериментов следую щую гипотезу: обезболивающий эффект иглоукалывания основан на том, что стимулируется выработка гипофизом собственных обезболи вающих средств. Игла стимулирует нерв, который передает гипотала мусу 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 электричес кою 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^^облада ет 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 на питках вроде кока-колы. Он представляет возбуждающее средство.
Никотин — еще одно возбуждающее средство, но далеко не без обидное. Его действие общеизвестно: он прежде всего помогает пре одолеть стресс. Действительно, усиливая секрецию серотонина, нико тин ослабляет активность мозговых клеток, что ведет к чувству удов летворения. Только через некоторое время происходит увеличение количества норадреналина, и это сопровождается повышением актив ности мозга. Это состояние сохраняется несколько десятков минут, и тогда курильщику хочется выкурить новую сигарету. Искусственное взбадривание себя на все более короткие интервалы времени приво дит к фактически бесконтрольному увеличению выкуриваемых сига рет. Возникает психологическая зависимость. Физиологические же последствия от курения общеизвестны.
Открытие в мозгу морфиноподобных веществ вызвало большой интерес. Можно ожидать новостей и в понимании действия наркоти ков 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 психичес кое состояние, в частности, устраняют депрессию. (Дофамин —нейро-медиатор, он обнаружен в полосатом теле и в базальных ганглиях. Хорошо изучено высвобождение дофамина в синапсах базальных ган глиев. Отсутствие этого стимулятора приводит к болезни Паркинсо-на, хоторая характеризуется ригидностью мышц, задержкой начала движения и отсутствием сопутствующих движений, таких как движе ния мимической мускулатуры — лицо становится неподвижным, мас кообразным.) Согласно одной из гипотез алкоголизм связан с наруше нием дофамин-зависимых процессов.
Антагонисты дофамина находят некоторое применение в качестве лекарств. Торазин используют в терапии шизофрении. Побочное дей ствие 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, по скольку новое в «классической» фармакологии стало редкостыо.'и па тенты на чудо-лекарства отошли в область преданий.
3. Психофизиология и экология
В атмосферу выбрасывается более 200 вредных веществ, среди ко торых свинец, медь, ртуть, кобальт, барий и др., относящиеся к перво му классу опасности. Многие из них не разрушаются даже после пере работки отходов и, попадая в почву, усваиваются растениями, а затем попадают в организм человека и животных. Детальное изучение ве ществ, отрицательно действующих на состояние человека, позволяет не только узнать механизмы этих влияний, но и разработать адекват ные меры защиты. В экологическом мониторинге первостепенное зна чение имеет исследование влияния солей тяжелых металлов.
Опасность действия тяжелых металлов состоит в том, что в силу физических и химических особенностей строения молекулы они про никают 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 химичес ких 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 незамени мым, т. е. таким, которые входят в состав ферментов, гормонов и вита минов. Кадмий относят к тем элементам, которые постоянно определя ются в живых организмах, но его биологическое значение еще недоста точно изучено. Общим для всех перечисленных веществ является то, что они поступают в организм человека и животных из продуктов пи тания, 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 биохи мических реакций. В случае аномального содержания или нарушенно го 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 по вышают 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 ини циации и прекращении генерации ПД, в результате возникают про дленные потенциалы действия. Длительность этого вида патологичес кой активности нейронов может достигать нескольких десятков се кунд — в проведенных опытах до 20 с. Значительные нарушения про исходят 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, кад мия блокирует простые виды обучения в форме привыкания и фаси-литации. Полученные результаты показывают, почему опасно дейст вие 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 изу чения памяти, восприятия, функциональных состояний и некоторых других, представленных в этом учебнике, и 2) в усвоении языка совре менной психофизиологии, на котором говорят исследователи, обсуж дая эти явления. Если студент, изучив предложенный курс, может чи тать 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, молеку лярной 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 психо физиологии, необходимо сразу осознать, что эта дисциплина исклю чительно многообразна, объединяет методы и понятия многих наук и требует постоянного самообразования. Ни один учебник не сможет дать исчерпывающих сведений по этому предмету, потому что психо физиология 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 нетриви альности методов.
Рис 21. Влияние бария на электрическую активность нейрона моллюска Helix pomatia (используется физиологический раствор, в котором Са++ замещен Ва++). а —ответ ней рона 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 психи ческое и физическое состояние организма, возникающее у наркоманов и алкоголи ков при резком прекращении использова ния наркотика или алкоголя, которое может закончиться смертью Абстиненция — полное воздержание от употребления наркотиков или алкоголя. Адаптация — 1) приспособление глаза к определенным условиям видения. Темпо вая А. — приспособление глаз к условиям пониженного уровня освещенности; обес печивается расширением зрачка и по вышением чувствительности сетчатки со смещением области максимальной чувст вительности в синюю часть спектра, реге нерацией зрительного пурпура. Световая Л. — приспособление глаз к условиям по вышенной освещенности; обеспечивается сокращением зрачка и снижением содер жания зрительного пурпура. 2) А нейрона к микроэлектроду — процесс стабилиза ции уровня мембранного потенциала ней рона, 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, нахо дящихся на близком расстоянии от на блюдателя, во время которого происходит округление хрусталика, связанное с со кращением цилиарной мышцы внутри глаза.
Активная память - совокупность актив ных энграым (следов памяти, готовых к воспроизведению в данный момент време ни).
Активная энграмма — след памяти, нахо дящийся п состоянии, готовом для реали зации на уровне поведения, и существую щий па уровне электрической активности определенных нервных элементов.
Активный транспорт ионов (через кле точные мембраны) — поддержание ион ных градиентов и электрической поляри зации поверхностной мембраны, требую щее затраты значительной части внутрен ней энергии клетки.
Актуальные пейсмёкерные нейроны — все нейроны, обладающие фоновой пейс-мекерной активностью. Алкоголь — этанол (С2Н5ОН), если он рассматривается как отравляющее веще ство.
Альфа-ритм — электрическая ритмичес кая активность мозга частотой 8—12 Гц, наиболее выраженная в затылочной об ласти. Является электрографическим вы ражением реакции релаксации, наиболее отчетливо проявляется при закрывании глаз.
Амблиопйя — частичная или полная по теря зрения, не связанная с какими-либо аномалиями самого глаза Амнестйческий интервал — время после обучения, в течение которого применение амнестического агента вызывает наруше ние памяти в форме ретроградной или ан-тероградной амнезии. Амнестйческое воздействие — химичес кое, электрическое или механическое воз действие, применение которого вызывает нарушение памяти в форме ретроградной или антероградной амнезии. Анестетики — яды, временно снижающие способность воспринимать сенсорные стимулы; действуют на мозг или перифе рическую нервную систему и подавляют ответы на прикосновение, давление или боль; используются при проведении хи рургических операций. Аномалии цветового зрения — дейтеранб-пия (врожденная частичная цветовая сле пота, при которой отсутствует восприятие зеленого цвета), протанбпия (врожденная
частичная цветовая слепота, при которой отсутствует восприятие красного цвета); тританбпия (врожденная частичная цве товая слепота, при которой отсутствует восприятие синего (фиолетового) цвета). Аномальная трихромазия и дихрома-зия — снижение восприятия красного (протаномалпя) или зеленого (дейтсрано-малия) цветов; при дихромазии — частич ной 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 предъ является два и более стимулов в опреде ленной последовательности. Результатом может быть то, что подкрепляемый стимул вместо свойственной ему реакции начина ет вызывать другую реакцию, ему не свой ственную. В качестве условного раздражи теля может использоваться стимул, вызы вающий специфическую реакцию. Ахроматические цвета — белый, черный и серый со всеми многочисленными от тенками (их более трехсот). Все осталь ные цвета — хроматические. Бинокулярное зрение — видение двумя глазами; существенное отличие биноку лярного зрения от монокулярного состоит в ощущении глубины. Биологический ритм — повторение опре деленного события в биологической сис теме через более или менее регулярные промежутки времени; генетически запрсу граммированные приспособления к пери одической среде, закрепленные в генети ческой структуре, которые используются организмами как подлинные часы. Б.р. ох ватывает широкий диапазон периодов — от миллисекунд до нескольких лет; суще ствует не только у организмов с хорошо развитым мозгом, по и у не имеющих его (водоросли).
Биологические часы — внутреннее уст ройство для измерения времени у живого организма, основанное на строгой перио дичности физико-химических и физиоло гических процессов в клетках (биологи ческих ритмах); способность живых су ществ ориентироваться во времени
Борьба полей зрения — феномен зритель ного восприятия, который заключается в том, что если на сетчатках правого и лево го глаза создаются очень сильно разли чающиеся изображений, то одно из них перестает восприниматься. Временная организация — размещение во времени процессов, выполняющих оп ределенные функции при обучении и за поминании. В.о. следа подразумевает по следовательность развития во времени ка чественно разных процессов, приводящих к фиксации приобретенного опыта. Время консолидации — интервал времени после обучения, в течение которого дейст вие амнестического стимула вызывает ретроградную амнезию. •«Выцветание» пигмента — биохимичес кий процесс, в результате которого специ фическое преобразование единственной молекулы приводит к закрытию миллио нов пор, необходимых для изменений электрического потенциала. Выцветание молекулы зрительного пигмента приво дит к следующим событиям: белковая часть обесцвеченной молекулы пигмента активирует большое число молекул фер мента транедуцина, а каждая из них в свою очередь инактивирует сотни моле кул циклического гуанозипмонофосфата (цГМФ), участвующих в открытии пор. Гетеросинаптйческая фасилитация (ГСФ) — нейрофизиологический меха низм ассоциативного обучения, впервые изученный Э. Кенделом и Л. Током (1968) на препарате морского моллюска Aplysia.
Гиперслбжные рецептивные поля кор тикальных нейронов — рецептивные поля, специализированные на определе нии сложных параметров стимулов, таких как определенная длина (детекторы кон цов линии), угол и т.д. Глазодоминантность - различие в реак ции клетки при действии оптимальных стимулов на правый и левый глаз. В каж дом полушарии число клеток, лучше ак тивируемых 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
Терминологический словарь
338
ровапия глаза, начиная от клеток, возбуж даемых 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 клет ки имеют входы от рецепторов и многие из них передают сигналы непосредствен но ганглиозным клеткам. Горизонтальные клетки соединяют рецепторы и биполяр* ные клетки связями, идущими параллель но сетчаточным слоям; амакриновые клетки связывают биполярные клетки с ганглиозными.
Гороптер — совокупность всех точек про странства, которые дают изображение на корреспондирующих местах сетчаток. Градиент ретроградной амнезии — соот ношение между силой амнестического воздействия и временем, прошедшим после обучения, при котором все еще воз никает ретроградная амнезия. Дальтонизм — невозможность правильно различать красное и зеленое. Два пути информационного потока через сетчатку — прямой путь, идущий от фо торецепторов к биполярным и далее к ганглиозным клеткам, при этом одна би полярная клетка имеет входы лишь от одного рецептора или от сравнительно не большого их числа, а одна ганглиозная клетка — от одного или сравнительно не многих биполяров; и непрямой путь, при котором между рецепторами и бипо-лярами могут быть включены еще гори зонтальные клетки, а между биполярами и ганглиозными клетками — амакриновые клетки.
Декларативная память — память на со бытия и факты, включает запоминание слов, лиц и т.д., обеспечивает ясный и до ступный отчет о прошлом индивидуаль ном опыте.
Дёльта-вблны — ритмическая активность мозга частотой 0,5—2 Гц. Дельта-сон — 3-я и 4-я стадии сна, харак теризующиеся увеличением на ЭЭГ высо коамплитудных 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, избира тельно реагирующие на стимулы, разде ленные определенными интервалами вре мени.
Дирекциональная селективность (изби рательность) — способность клеток со сложными рецептивными нолями реаги ровать на движение стимула в определен ном направлении.
Диспаратные точки — пекорреспоиди-рующие точки сетчатки. Диссоциированное обучение — обучение и воспроизведение навыка, приобретенно го в процессе обучения, зависящее от функционального состояния. Правильное воспроизведение результатов обучения происходит только на таком же функцио нальном фоне.
D-нейроны — нервные клетки, отвечаю щие на действие нейромедиатора деполя ризацией (уменьшением мембранного потенциала). Н-нейроны — нервные клет ки, отвечающие на действие нейромедиа-торов гиперполяризацией, т.е. увеличени ем мембранного потенциала. Долговременная память — стабильное со стояние энграммы, обеспечивающее се со хранение в течение длительного времени, соизмеримого с продолжительностью жизни.
Долговременная потенциация (LTP) — сохраняющееся несколько часов (па пре парате) или несколько дней или педель (на целом организме) увеличение сииап-тической передачи, вызванное короткой высокочастотной стимуляцией синапти-ческого проводящего пути или же пар ной прссинаптической активацией с постсинаптической деполяризацией. Наиболее распространенной техникой получения LTP является высокочастот ная тетанизация (10 залпов по 200 Hz в течение 75 мс при межпачечиом интер вале 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 несколь ко к виску и вверх от места вхождения зрительного нерва в самом центре; имеет
удлиненную в горизонтальном направле нии, овальную форму; наибольший диа метр желтого пят на от 2,9 до 0,6 мм. Закон Бунзена — Роско — для получения одного и того же фотохимического эф фекта надо, чтобы между / и t существова ла обратная пропорциональность. Чем сильнее раздражитель, тем он может быть короче, и, наоборот, чем он слабее, тем он должен быть продолжительнее. Эта зави симость нашла экспериментальное под тверждение в ряде фотохимических реак ций и известна как: / х t -А, где Л есть некоторая постоянная. Закон Пйпера — показывает соотноше ние между яркостью и площадью стиму ла. Произведение яркости раздражителя на квадратный корень из величины его площади, т. е. Вч5 = К, где К есть кон станта, является постоянным для порого вого ощущения.
Зрачок — отверстие, образованное радуж ной оболочкой, через которое свет прохо дит к хрусталику, а затем к сетчатке уже в виде изображения.
Зрительная депривация — лишение зри тельного опыта.
Зрительное поле — участки окружающе го пространства или зрительной сцены, которые видны обоими глазами. Зрительный нерв — нерв, сформирован ный аксонами ганглиозных клеток. Выхо дя из сетчатки, он направляется в специа лизированные 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 кото рой клетка остается в естественной систе ме элементов (например, наложение лига туры).
Инвертированный глаз — глаз, у которого сетчатка «вывернута наизнанку», первый слой сетчатки расположен у задней стен ки, а последний слой (ганглиозные клет ки) 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 соеди нительных клеток, прежде чем он достиг нет фоторецепторов. Оптически сетчатка вывернута наизнанку подобно тому, как если бы в камере пленка была бы повер нута светочувствительным слоем в дру гую сторону.
Инфрадианные ритмы — ритмы с перио дом более суток, т.е. цикл повторяется меньше одного раза в сутки. Ипсилатеральный глаз — глаз той же сто роны.
Каналы мембраны — протеиновые норы в липидном бислос, которые позволяют специфическим ионам быстро передви гаться по электрохимическому градиенту и не требуют метаболической энергии. Катаракта — помутнение хрусталика; он пропускает свет, но не позволяет форми роваться изображению на сетчатке. Классический условный рефлекс — одна из форм ассоциативного обучения, при которой исходно неэффективный раздра житель, называемый условным (УС), по вторно сочетается с высокоэффективным раздражителем, называемым безусловным (БС). БС вызывает ярко выраженную ре акцию 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 вре мени.
Клетки с ол-центром и с о^-центром — нейроны, избирательно активирующиеся или тормозящиеся в зависимости от мес тоположения стимула в рецептивном поле. Клетка с оя-центром работает с по вышенной частотой при появлении сти мула в центре или около центра рецептив ного ноля. Клетки с о//-нентром активи руются па выключение стимула; при включении стимула сильным повышени ем количества генерируемых разрядов от вечает оп-нериферия рецептивного ноля о//-клстки.
340
Терминологический словарь
Тсрминологический словарь
341
Кодирование номером канала — опреде ленному сигналу в нервной системе ста вится в соответствие конкретный макси мально возбужденный нейрон-детектор, а определенной реакции соответствует мак симальное возбуждение ее командного нейрона.
Колонки глазодоминантности — функци ональная организация нейронов коры, у которых обнаружено свойство доминиро вания. Колонки глазодоминантности про ходят от поверхности мозга до белого ве щества: 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 поверхнос ти, 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 неко торое свойство клеток остается постоян ным во всей толще коры от поверхности до белого вещества, по изменяется в на правлениях, параллельно поверхности коры.
Колонки ориентационной чувствитель ности — функциональная организация нейронов зрительной коры, имеющих максимальную чувствительность к одной и той же ориентации стимула в рецептив ном поле.
Командный нейрон — интернейрон, воз буждение которого приводит к генерации фиксированной реакции, вызывает це лостный поведенческий акт или его от дельный фрагмент. Командный нейрон оборонительного поведения обладает ла тентным пейсмекерным механизмом. Конвергенция и дивергенция — движения глаз, которые приводят к сведению (кон вергенция) или разведению (диверген ция) зрительных осей. Консолидация — гипотетический про цесс, переводящий след памяти из кратко временного в долговременное храпение; процесс, предваряющий п опосредующий
нейрофизиологические проявления плас тичности. К. завершается к моменту до стижения максимального электрофизио-логнческого выражения следа памяти. Контраст — отношение разности яркос тей объекта и фона к их сумме; пороговый К. — минимальный контраст, восприни маемый глазом; цветовой К. — ощущение изменения цвета, вызываемое одновре менным или последовательным воздейст вием на глаз излучений другого цвета (цвет воспринимается как более интен сивный, если его окружает поле, окрашен ное в дополнительный цвет). Контралатеральный глаз — глаз противо положной стороны.
Концентрическое рецептивное поле — структура рецептивного поля, адекватная для элементов сетчатки и наружного ко ленчатого 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 рефлектор ного 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 централь ной ямки.
Косоглазие — непараллельность оптичес ких осей глаз.
Кратковременная память — активное со стояние следа памяти, готового к воспро изведению.
Кривая яркости — зависимость чувстви тельности к свету от длины евсковой волны, но вне связи с теми цветами, кото рые видит глаз при каждой длине свето вой 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, обу словленная деятельностью пейемскерпого механизма.
Латеральное торможение — один из ме ханизмов взаимодействия рецепторов сет-
чаткн, исследованных на глазе мечехвоста (Limulus). Рецепторы глаза оказывают друг на друга взаимные тормозные влия ния. Л.т. является одним из возможных механизмов подчеркивания контраста: усиление контраста происходит в области резких градиентов изображения на сет чатке. Тормозное взаимодействие двух ре цепторов 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 — высо коспециализированный участок мембра ны, являющийся местом локализации ме ханизма эндогенной пейсмёкерной актив ности.
Локус химической чувствительности — участок мембраны с хеморецепторами, специализированными для приема опре деленных биологически активных ве ществ.
Метод -«напоминания» — способ восста новления следа памяти, депрессированно-го амнсстпчсским агентом, предъявлени ем стимула, похожего па использованный при обучении, но не обладающего само стоятельным обучающим эффектом. Метод •«ознакомления» — способ восста новления памяти, основанный па предва рительном пребывании животного в экс периментальной установке; эффективное время нахождения зависит от сложности экспериментальной камеры. Механизм пейсмёкерной активности — внутренний генератор нейрона, связан ный с активным транспортом ионов; обес печивает развитие эндогенных потенциа лов и периодическое достижение порога генерации потенциалов действия в отсут ствие внешнего источника возбуждения. Механизм электрической возбудимос ти — создание трапемембранного ионного тока при помощи особого молекулярного устройства поверхностной мембраны, по зволяющего воспринимать изменения проходящего через нее электрического поля, практически мгновенно модифици ровать ионную проводимость, используя и качестве движущей силы ионные гради-
енты, постоянно существующие между вне- и внутриклеточной средой. Мечехвост {Limulus) —, краб, «живое ис копаемое»; живет на восточном побережье США. На препарате бокового глаза Limu lus проводятся исследования механизмов взаимодействия нервных элементов сет чатки. Он представляет собой сложный глаз, содержащий около 1000 рмматидиев. Рецепторы сетчатки непосредственно свя заны с отдельными нервными волокнами. Нервные волокна отходят от омматидиев в виде небольших пучков и образуют зри тельный нерв.
Микроспайки — миниатюрные компонен ты, на которые распадается потенциал действия нейрона после применения электрошока. Амплитуда М. от 5—10 мВ до 60 мВ.
Модуляторные нейроны — нервные клет ки, получающие возбуждение от локаль ных детекторов через пластичные синап сы. Возбуждение М.п. усиливает эффек тивность 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, имею щие только один отросток — аксон. Монохромазйя — восприятие мира в черно-белом изображении (отсутствие цветочувствительности). Моторное поле рефлекса — совокупность определенным образом организованных мышечных единиц.
Мультиполярные (биполярные) клет ки — нейроны, имеющие аксоны и денд-риты.
Налоксон — вещество, блокирующее опи-атные рецепторы.
Наркотики — вещества (в первую очередь яды, известные как опиаты), подавляю щие чувствительность к внешним стиму лам через дспрсссировапие ЦПС. Наружное коленчатое тело (НКТ) — структура среднего мозга, участвующая в обработке зрительной информации, па ней ронах которой волокна зрительного нерва образуют синапсы. Волокна от левой поло-
342
Терминологический словарь
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 обра зом, попадают в то же левое 1IKT. Аналогич ным образом волокна от правых половин обеих сетчаток тоже оканчиваются в одном — правом — полушарии. ПКТ содер жит 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 ин формацию только от одного глаза. Эти слои расположены таким образом, тго проекции от правого и левого глаза чередуются. Аксо ны клеток НКТ оканчиваются в первичной зрительной коре.
Нейробиология — общее название для от расли науки, занимающейся изучением нервной системы и ее главного органа — мозга. Она включает анализ явления на многих уровнях, начиная с молекулярно го и кончая поведенческим. Нейромедиаторы — специальные вещест ва, которые выделяются из пресииапти-ческой терминали. В настоящее время из вестно несколько десятков иейромедиато-ров пепеитидной природы и сотни медиа торов пептидной природы, которые выполняют функцию передачи электри ческого 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, настро енные па диспаратность. Нервная клетка — высокоспециализиро ванная клетка, способная быстро изме нять величину электрического заряда вплоть до противоположного. К функци ям И.к. относится передача информации об изменениях внутри и вне организма, се запоминание на длительные сроки, созда ние образа внешнего мира и организация поведения.
Нервная модель стимула — созданный нервной системой памятный след о каче ствах действующего стимула. Все пара метры запечатлеваются по мерс предъяв ления стимула. При изменении любой физической характеристики стимул вос принимается как незнакомый. Действие нового стимула вызывает сигнал рассо гласования с нервной моделью стимула, что приводит к растормаживапию ориен тировочной реакции. Биологическую ос нову Н.м.с. составляет матрица иотепции-рованиых синапсов, связанных с опреде ленными свойствами раздражителя. Нерегулярный пейсмёкерный потенци ал — пейсмекерные колебания, возникаю щие с разными промежутками между от дельными 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 напоми нающие опиаты.
Ориентировочная реакция — комплекс соматических, вегетативных и элсктроэн-цефалографических реакций, возникаю щих на предъявление каждого нового раз дражителя. О.р. — основа исследователь ского поведения.
Оуабайн — яд, влияющий па электроген ный активный транспорт ионов; получают из некоторых кустов и деревьев, произ растающих в Африке. Память — процесс фиксации, хранения и воспроизведения информации мозгом. Пейсмекерные потенциалы — осцилли рующие потенциалы нервной клетки, вы раженные появлением спонтанной или вы званной 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 санти метров, который на поперечных срезах выглядит слоистым или полосатым (от сюда и ее название — стриарная кора). В одной из первых систем такой классифи кации стриарной коре был присвоен номер 17 (поле 17). Зрительная кора за нимает около 15% всей площади коры. Значительная часть выходных волокон стриарпой коры идет в следующую корко вую область — зрительное поле 2 (часто на зываемое полем 18, так как оно примыкает к полю 17), которое представляет собой по лоску коры шириной примерно 6—8 мм, почти полностью окружающую поле 17. Поле 17 унорядоченио, точка в точку, про ецируется 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 зна ний.
Пигмент — вещество, содержащееся в фо^ торецепторах, поглощающее часть падаю щего на пего света и отражающее осталь ную часть. Зрительный пигмент при по глощении светового фотона изменяет молекулярную форму и при этом высво бождает энергию, запуская таким образом цепь химических реакций, которые в конце концов приводят к появлению электрического сигнала и к выделению химического медиатора в синапсе. Иден тифицировано три типа пигментов колбо чек: цианолаб, хлоролаб, эритролаб.Опи имеют пики поглощения в области 430, 530 и 560 нм. Названия отражают макси мумы чувствительности, которые зависят от светоноглощающей способности. Пластичность — изменение определенно го свойства под влиянием ситуации. Порог генерации потенциала действия (ПД) — критический уровень деполяри зации нейрона, при достижении которого возникает быстрый разряд. Постсинаптический потенциал (ПСП) — локальная деполяризация пли гиперполя ризация 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 разнос ти потенциалов между внутренним содер жимым клетки и внешней средой, кото рый генерируется но типу «все-или-ииче-го», имеет длительность менее 1 мс и амп литуду около 100 mV. Потенциал покоя — стационарная раз ность потенциалов покоящейся клетки между ее внутренним содержимым и на ружным раствором.
Привыкание — негативное обучение, одна из простейших форм приобретения инди видуального опыта. Оно выражено посте пенным избирательным подавлением и полным исчезновением реакции при по вторении раздражителя с интервалами, исключающими периферическую адапта цию и эффект утомления. Привыкание отличается от утомления тем, что после предъявления экстрастимула — любого стимула, отличающегося от ранее исполь зованного по одному из параметров — на блюдается восстановление ответа. Крите рии привыкания: 1) при повторении сти мула наблюдается снижение амплитуды вызываемого им ответа; 2) чем чаще предъявление стимула, тем быстрее и от четливее декремент; 3) на более слабый стимул декремент более отчетливый, на сильные стимулы привыкание возможно только незначительное; 4) восстановление может быть продолжено при помощи по вторной 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) при выкание происходит быстрее при повтор ных предъявлениях и восстановлениях; 8) предъявление сильного экстрастимула вызывает восстановление ответа (растор-маживание), 9) при повторных использо ваниях эффективность экстрастимула сни жается. Ценность этих характеристик при выкания 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 простран ство приблизительно с 12 до 18 . Сложные рецептивные поля кортикаль ных нейронов - участок сетчатки, связан ный с наследуемым нейроном, структура которого специфична для Детекгироашия стимула со строго определенными свопе вами - ориентацией и направлением дви жения 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 опреде ленной локализации. Па нейронах, входя щих в состав этого центра, сходятся ус ловный и безусловный стимулы. Па осно ве конвергенции происходит формирова ние пространственно-временной структуры. U.K. Анохин дополнил кон цепцию взаимодействиями сигналов раз личных сенсорных и биологических мо дальностей.
Простое рецептивное поле кортикально го нейрона — участок сетчатки, связан ный с исследуемым нейроном, наиболее эффективным стимулом для которого служит линия, движущаяся в рецептив ном ноле в направлении, перпендикуляр ном ориентации этой линии. Такой ли нией может быть узкая полоса света на темном фоне, или темная полоса па свет лом фоне, или же прямолинейная граница между темной и светлой областями. Ре шающее значение имеет ориентация линии. Число импульсов, возникающих при пересечении стимулом рецептивного ноля, заметно снижается при отклонении ориентации п любую сторону от опти мальной на 10—20°. Когда ориентация стимула отличается от оптимальной на 90°, типичная клетка, избирательно чувст вительная к ориентации, перестает отве чать вообще. Зоны возбуждения и тормо жения в рецептивных нолях всегда разде лены 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 све товых потока.
Процедурная память — знание о том, как нужно действовать.
Психологическая зависимость (от нар котика) — стремление применять нарко тическое вещество ради достижения чув ства удовлетворения.
Терминологический словарь
Психотропные яды — яды, действующие на разум.
Психофизиология — наука о механизмах психических процессов и состояний. Пузырьки в зрительной коре — скопле ния цпсточуиствитсльных нейронов в зри тельной коре, выявленные методами гис тохимии.
Радужная оболочка — кольцеобразная мышца, создающая зрачок. Радужная оболочка, составляющая передний отдел сосудистого тракта, состоит из кровенос ных сосудов, мышечных волокон и пиг ментных клеток. От количества послед них и зависит «цвет» глаз. Распад потенциала действия — образова ние из исходного потенциала действия нервной клетки двух или нескольких мик-роспайков.
Реверберация — многократное прохожде ние 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 — ухудше ние воспроизведения ранее заученного материала после заучивания другого. Со ответственно проактивнос торможение — это ухудшение запоминания после выпол нения предыдущего задания. Ретроградная амнезия, антероградная амнезия — потеря или ухудшение памяти на события, произошедшие непосредст венно перед травмой или действием ам-нсстичсского агента (ретроградная амне зия) или сразу же после нее (антероград-иая амнезия).
Рецептивное поле — совокупность рецеп торов, посылающих данному нейрону сиг налы через один или большее число си напсов. Для нейронов зрительной систе мы это некоторая область сетчатки. Рецептивное поле ганглиозной клетки — общая площадь, запятая рецепторами, связанными с одной гапглиозной клеткой но прямому и непрямому пути; равна при мерно миллиметру.
Рецептивное поле рефлекса — совокуп ность рецепторов, возбуждение которых
приводит к возникновению определенно го рефлекса.
Рецептивная ось (зрительное направле ние рецептивного поля) — это линия взора через область рецептивного ноля, дающая максимум разрядов нейрона при оптимальном стимуле. Рецепторы - специализированные белко вые молекулы, расположенные па внеш ней стороне мембраны тела или отростков нервной клетки и чувствительные к спе циальным биологически активным веще ствам (нейромедиаторам). Ритмология (хронобиология) — наука, изучающая циклические биологические процессы на всех уровнях организации живой системы.
Родопсин — палочковый пигмент, обла дает наибольшей чувствительностью в об ласти около 510 нм (в зеленой части спектра). Поглощая свет, распадается, вы зывая электрическое возбуждение фотоэ лемента; в темноте вновь синтезируется. Сенситивный период — интервал време ни, в течение которого развивающееся живое существо максимально чувстви тельно к присутствию (или отсутствию) определенных внешних воздействий. Сетчатка — высокоснецнализированная часть мозга, отделившаяся от него на ран них стадиях развития, но связанная с ним зрительным первом; имеет форму плас тинки 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 раздра жение в зрительное возбуждение и осу ществляет первичную обработку зритель ных сигналов.
Синапсы — структурно и функционально оформленные места контактов одной клетки с другой.
Следовые процессы — процессы клеточ ного и внутриклеточного уровня, которые обеспечивают сохранение во времени из менившегося свойства после устранения причины, вызвавшей это изменение. Слепое пятно — место вхождения зри тельного 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
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 час тоты сердечного ритма и дыхания с общей тенденцией к возрастанию показателей по сравнению с бодрствованием и медлен ным сном.
Стереоскопическое зрение (стерео-псис) — способность воспринимать глу бину пространства и оценивать удален ность предметов от глаз. Строфантин — яд, содержави-гася в семе нах и коре растений; ингибитор активного транспорта ионов; в малых дозах исполь зуется в кардиологии. Теория оппонёнтных цветов — теория, согласно которой в зрении участвуют три пары процессов, причем два процес са 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 полу чены прямые нейрофизиологические подтверждения этой идеи в опытах Све-тихина на рыбах и Де Валуа па обезь янах.
Тетродотоксин — водорастворимый пара литический яд, найденный в яичниках и печени рыбы-шар и в яйцах некоторых видов саламандр. При наружном приме нении обладает избирательным действием в отношении натрия (блокирует вход на трия в нейрон, переводя натриевые кана лы в латентное состояние). В результате потенциалы действия натриевой природы полностью исчезают.
Токсикомания — общее название болез ней, характеризующихся влечением к приему веществ, вызывающих опьянение, кратковременную эйфорию, включает злоупотребление наркотиками (наркома ния), алкоголем (алкоголизм), галлюци ногенами, средствами бытовой химии и др.; проявляется многообразными психи ческими и соматическими расстройства ми, нарушением поведения, социальной деградацией.
Топографическое отображение — упоря доченное отображение нижележащей моз говой структуры на вышележащую: точки какой-либо линии на сетчатке при проек ции в ПКТ и в зрительной коре также об разуют одну непрерывную линию. Все во локна зрительного нерва, выходящие из небольшого участка сетчатки, будут на правляться к определенному участку НКТ, а все волокна от небольшой зоны НКТ придут в определенную зону зри тельной 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 торможе ние».
Трехкомпонёнтная теория цветового зрения — теория, согласно которой в зри тельной системе существуют три цветоо-щущающих аппарата, которые реагируют на различные цвета. Предполагается су ществование трех «основных» цветов: красного, зеленого и фиолетового. Любой видимый в спектре цвет может быть полу чен смешением не менее трех световых лучей. Согласно теории Ломоносова — Юнга — Гельмгольца, существуют три ти на цветочувствитсльпых элементов, реа гирующих на красный, зеленый и синий (фиолетовый) цвета. Каждый вид этих ре цепторов возбуждается преимущественно одним из основных цветов, реагируя час тично и на другие. Ощущение «неоснов ных» цветов возникает при смешении сиг налов трех рецепторных систем, а ощуще ние белого цвета — при равномерном сме шении этих сигналов. Ультрадианные ритмы — ритмы с перио дом меньше суток.
Фасилитация памяти — улучшение вос произведения ранее заученного под влия нием определенных химических или электрических раздражений. Физическая зависимость (от наркоти ка) — состояние организма, возникающее при действии определенного наркотическо го вещества, характеризующееся тем. что организм не может обходиться без нарко тика.
Фоновоактивные (фоновонеактйвные) нервные клетки - нейроны, обладающие фоновой ритмикой (соответственно, фо-новоисактивные такой ритмикой не обла дают).
Формы ассоциативного обучения — классический условный рефлекс и ин струментальный условный рефлекс. В классическом павловском рефлексе безус ловное подкрепление подается за услов ным сигналом независимо от того, как ре агирует на этот сигнал животное. Инстру ментальный условный рефлекс состоит в реализации такой реакции, которая позво ляет достичь или избежать последующего безусловного раздражителя. Фоторецёпторы — элементы, содержа щиеся на задней поверхности сетчатки. Светочувствительные рецепторы представ лены палочками и колбочками. Самые ма ленькие 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 воспри ятие оттенков серого и отключаются при ярком освещении. Колбочки не реагируют i на слабый свет. Они ответственны .за спо собность видеть тонкие детали и за цвето вое зрение. Дневное зрение, осуществляе мое с помощью колбочкового аппарата сет чатки, обозначается как «фотопическое», в то время как восприятие оттенков серого палочковым аппаратом при тусклом осве щении называется «скотопическим». Па лочки, как и колбочки, содержат светочув ствительные пигменты. В палочках пиг мент один и тот же; колбочки делятся на три типа, каждый со своим особым зри тельным пигментом. Эти четыре пигмента чувствительны к различным длинам свето вых волн, и в случае колбочек эти различия составляют основу цветового зрения. Функциональное состояние — фоновая активность ЦНС, в условиях которой осу ществляется определенная деятельность. Функциональное состояние нейрона — совокупность фоновых параметров актив ности нейрона — уровня мембранного по тенциала, амплитуды потенциалов дейст вия (ПД), порога генерации ИД, состоя ния пейемскерпого механизма, постси-
нантической чувствительности к нейро-медиаторам.
Хиазма (зрительный перекрест) — место частичного перекреста зрительных воло кон, идущих в мозг от каждого пцаза. В X. примерно половина волокон каждого зрительного нерва переходит на противо положную сторону мозга по отношению к данному глазу, а другая половина оста ется на той же стороне мозга. Пройдя хи азму, волокна направляются в несколько разных пунктов. Некоторые из них идут в нейронные структуры, имеющие отно шение к таким специфическим реакциям, как движения глаз и зрачковый рефлекс. Однако большая часть волокон оканчи вается в двух наружных коленчатых телах.
Хйллок (аксонный холмик) — структур но и функционально обособленная часть нейрона, расположенная в месте перехода сомы в аксон. X. имеет самый низкий порог возбуждения.
Хронаксйя — минимальная продолжи тельность, при которой раздражитель впе рвые вызывает реакцию при условии, что раздражитель взят вдвое более интенсив ным, чем тот, который является порого вым при неограниченном времени дейст вия (X. Лапика).
Цветовой тон — одна из характеристик хроматических цветов (они обладают цве товым тоном, насыщенностью и светло той); определяется длиной световой волны. К основным Ц.т. относятся семь цветов солнечного спектра. Цветочувствйтельные нейроны коры — нейроны, сосредоточенные в пузырько вых образованиях и обладающие цвето чувствительностью; имеют онпонентно-цветопые рецептивные поля с центром и периферией. Эти клетки получили назва ние двойных ошюнентных из-за их крас но-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 сетча тки — три типа клеток сетчатки: /.-клетки, гиперполяризующисся при световой сти муляции независимо от спектрального состава света; r-g-клетки, гиперполяри-зующиеся волнами малой длины с макси мумом ответа на зеленый свет и деполя ризующиеся 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 за тухающие ответы.
Центральная ямка (фовеа) — лишенная палочек зона длиной примерно 0,5 мм в середине желтого пятна сетчатки. Ее диа метр около 0,4 мм. Па месте центральной ямки сетчатка становится значительно тоньше (около 0,1 — 0,08 мм) за счет со кращения прочих сетчаточных слоев, сво дящихся здесь главным образом лишь к слою колбочек. В области центральной ямки каждая колбочка соединена с от дельной биполярной клеткой и, может быть, с отдельной гаиглиозной клеткой. Циркадианные (околосуточные) рит мы — ритмы с периодом, примерно рав ным продолжительности суток. Циркадианный осциллятор (колеба-тсль) — биологическая структура, которая является генератором определенного био логического ритма (например, пейсмекер-иая активность нейронов моллюсков, ре-
гулирующих определенные виды поведе ния).
Цирканнуальные ритмы — ритмы с пери одом, близким к одному году. Циркаритмы — суточные, приливные, лунные и годовые ритмы, ведущие себя как автономные колебания и поддающие ся синхронизации периодическими фак торами среды.
Экстраполяция — проявление рефлекса на время. На уровне нейронной электри ческой 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 — способ ность нервной клетки к генерации распро страняющегося нервного импульса. Эиграмма — сформированный след па мяти.
Эндонейрональное привыкание — про стейшая форма обучения, в основе кото рой лежит пластичность пейемскерного механизма, имеющего эндогенное проис хождение.
Эндорфйны — вещества, которые выраба тываются мозгом; оказывают болеутоляю щее и успокаивающее действие. Энкефалйны — природные пентапепти-ды, вырабатывающиеся мозгом для сни жения боли; в мозге идентифицировано три типа рецепторов, которые активиру ются энкефалинами.
Этил алкоголь — этанол (C2II5OH), наи более 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 phe nomena 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. Sci ence, 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
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. Psy chol.', 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 ex tracellular 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 criti cal 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 Learn ing., 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. Na ture, 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 avoid ance 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 ab dominal 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 neu rone. In: Circadian clocks, 1965. p. 442.
Tauc L., Gerschenfeldt II. Cholinergic transmission mechanisms for both excitation and inhi bition 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 resis tance 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 актив ных соединений. М., 1981.
Александров Ю.И, Еременко Т.Н. Действие этанола на электрическую активность изоли рованных 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.
А
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-реф лекторной 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 мол люсков//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 зависи мости активности кальциевых каналов соматической мембраны нервной клетки // Био логические мембраны, 1984, т. 1, с. 18.
Котляр Б.И., Овчареико Ю.С. Интегратпвные свойства мпкропопуляции корковых ней ронов //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 нерв ной 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 раз дражение //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 метал лов. 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
В
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
д
Дальтон Дж. 261 ДаниловаН.Н. 172 Де Валуа Р. 258, 264 Дейл Г. 24 Декарт Р. 98