Глава I I (ейрофшиология Клеготные основы обуи

7 Механизмы научения

91

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

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

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

_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 дейст­вия, обеспечивая тем самым большую продолжительность активного состояния кальциевых каналов, что позволяет проникнуть в преси-наптическую терминаль большему количеству кальция. Кальций вы­полняет в клетке различные функции, в том числе участвует в высво­бождении пузырьков с нейромедиатором из терминали. Когда в ре­зультате увеличения длительности потенциалов действия в терми­наль проникает больше кальция, выделение из нее нейромедиатора увеличивается.

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

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

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

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 увеличива­ется образование цАМФ в ответ на действие серотонина.

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

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

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

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

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

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

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

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 мо­лекулярном уровне, т.е. если у обучения и у процессов развития и роста одинаковые молекулярные механизмы, то исследования обуче­ния помогут соотнести когнитивную психологию с молекулярной биологией. А широкие биологические представления снимут покров тайны с психических процессов и подведут под их изучение прочную базу эволюционной биологии.

7.3.4. Долговременная потенциация

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

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

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

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

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

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

1 История изучения памяти

97