6. 2. Множественность систем памяти

Дата: 2025-05-21; Просмотры: 3

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Современные исследования мозга, выполненные методом ПЭТ и функциональной МРТ, свидетельствуют, что актуализация следов памяти требует одновременной активации многих структур мозга, каждая из которых выполняет специфическую функцию по отношению к процессам памяти. Процессы памяти связывают с фронтальной, височной и париетальной корой, мозжечком, ба-зальными ганглиями, миндалиной, гиппокампом, неспецифической системой мозга.

Процесс формирования следа памяти характеризуется перемещением локусов активности по структурам мозга. Вновь формируемая энграмма в отличие от старого следа памяти представлена в мозге более широкой зоной активации.

Актуализация следа памяти предполагает обязательное появление активации в префронтальной коре, которая в режиме рабочей памяти обеспечивает считывание информации из основного

121

хранилища памяти — височной и теменной коры — и интеграцию ее на нейронах префронтальной коры. На пространственную локализацию активации влияет специфика информации, содержащейся в энграмме, которая выбирается в соответствии с решаемой задачей в системе целенаправленного поведения.

Высказана гипотеза о том, что след памяти через разное время после обучения реализуется разными по своему составу нейронными ансамблями (Греченко Т.Н., 1997). Как показало изучение динамики ассоциативного обучения у изолированных нейронов, более чем у 80% нейронов наблюдается отсроченное обучение. Эффект обучения проявляется через 5—40 мин после завершения процедуры обучения. Непосредственное или отсроченное обучение каждого нейрона привязано к определенному моменту времени и является устойчивой индивидуальной характеристикой нейрона при конкретном типе обучения. «Плавание» энграммы по структурам мозга (нейронным ансамблям) рассматривается как принцип организации памяти.

6.2.1. Мозжечок и процедурная память

Мозжечок относится к многофункциональным структурам мозга. Среди его функций — сохранение равновесия, поддержание позы, регуляция и перераспределение мышечного тонуса, тонкая координация произвольных движений. В последние годы выявлена его способность одновременно с корой формировать все виды классических условных рефлексов. Благодаря связям клеток Пуркинье мозжечка со всеми сенсорными системами через мшистые, а затем через параллельные волокна, а также с нижней оливой, откуда поступают сигналы о всех совершаемых безусловных рефлексах, клетки Пуркинье представляют уникальную основу для конвергенции условного и безусловного сигналов.

Зачем в мозжечке параллельно неокортексу формируются условные рефлексы? Какую новую функцию по сравнению с корой берет на себя мозжечок? Предполагают, что мозжечок контролирует точность выполнения движений во времени, так как только мозжечок обладает способностью в любой момент времени заблокировать любую двигательную реакцию или, наоборот, дать ей возможность реализоваться. При поражении мозжечка клиницисты описывают явление дисметрии— плохое выполнение точных движений.

Причастность мозжечка к выработке классических условных рефлексов доказывается опытами с отключением холодом и разрушением его структур. Временное охлаждение моторных нейронов во время обучения блокирует выполнение условного и безус-

122

ловного рефлексов, но не нарушает сам процесс обучения. С восстановлением функций моторных нейронов можно обнаружить, что процедура обучения в этих условиях завершилась выработкой условного рефлекса, т.е. для процесса обучения исполнение условной и безусловной реакций необязательно. Если же во время выработки условного рефлекса холодом отключить кору и ядра мозжечка, обучение будет невозможным. Частичным разрушением ядер моста, откуда берут начало мшистые волокна, несущие афферентную информацию к клеткам Пуркинье, можно вызвать выпадение условных рефлексов на специфическую модальность. Замена условного сигнала электрической стимуляцией ядер моста приводит к более быстрому формированию условного рефлекса. Разрушение нижней оливы препятствует формированию условных рефлексов в мозжечке. Новые доказательства роли мозжечка в выработке классического условного рефлекса получены на мышах-мутантах, у которых через 2—4 недели после рождения происходит полная дегенерация коры мозжечка. Такие мыши способны лишь к частичному имплицитному обучению за счет ядерных структур мозжечка.

Значительный прогресс в изучении нейронных взаимодействий в мозжечке при выработке классических условных рефлексов был достигнут в работах Рихарда Томпсона и его коллег, доказавших, что условный мигательный рефлекс формируется не только в коре, но параллельно и в локальной зоне мозжечка. В качестве условного сигнала они использовали световой или звуковой раздражитель, а безусловным рефлексом служило мигание на обдувание воздухом роговицы кролика.

Основными клеточными элементами коры мозжечка являются клетки Пуркинье. Их дендриты восходят к поверхностным слоям, а аксоны идут к нейронам ядер мозжечка (рис. 26). Кроме клеток Пуркинье, в коре мозжечка имеются зернистые (или клетки-зерна) и корзинчатые клетки. Афферентная информация поступает в мозжечок к зернистым клеткам от мшистых волокон (аксонов нейронов моста). Клетки-зерна посылают параллельные волокна к ден-дритам каждой клетки Пуркинье, образуя на них множество синапсов. Параллельно клетки-зерна образуют синапсы и на корзин-чатых клетках (интернейронах), оканчивающихся тормозными синапсами на соме клетки Пуркинье. Активация клеток Пуркинье создает торможение у нейронов ядер мозжечка посредством ГАМК-тормозного медиатора и как следствие — торможение нейронов красного ядра, управляющих двигательными рефлексами. На дендриты клеток Пуркинье конвергируют не только параллельные волокна зернистых клеток, но и лазящие (или ползующиё) волок-

123

Лазящее волокно

Рис. 26. Схема нейронной сети в мозжечке, обеспечивающей функционирование условного мигательного рефлекса.

на — аксоны нейронов нижней оливы. Имеется около 15 млн клеток Пуркинье. Каждая из них имеет возбуждающие синаптические контакты только с одним лазящим волокном и много тысяч синапсов — от параллельных волокон.

Таким образом, на дендритах каждой клетки Пуркинье сходятся два потока влияний: от самых разных афферентов (параллельные волокна) и от нижней оливы через одно лазящее волокно.

Сигнал, формирующийся в нижней оливе от безусловного рефлекса, т.е. сигнал от подкрепления, передается лазящему волокну, которое осуществляет селективный выбор определенной клетки Пуркинье, действуя по принципу: одно лазящее волокно — одна клетка Пуркинье. Условный раздражитель представлен на клетках Пуркинье возбужденным параллельным волокном. Подобная конвергенция волокон имеет место и на нейронах ядер мозжечка.

124

Путь ус жителя мозжеч ловного раздра к структурам ка I 1уть безусловного аздражителя к структурам юзжечка

Кс мозя >ра ;ечка яки инье) t \

Мши воло стые кна (кл« Пурк Лазящие волокна

'

>. Ядра

Дуга условного рефлекса мозжечка

'

Красное ядро Нижняя олива

Ядра моста

^

Мотонейроны Ядра лицевых

а 1 <и в о X а о 5 5 О ю ? $ мышц

Акустическое ядро k Ретикулярная формация

Мышца третьего века Ядра тройничного нерва

Звук (условный раздражитель) Воздух (безусловный раздражитель)

• Реакция

Рис. 27. Схема взаимодействия мозжечка и структур мозга, причастных к выработке условного мигательного рефлекса.

Обдувание воздухом роговицы возбуждает ядра тройничного нерва и VI и VII пары ядер лицевых мышц. Сигнал достигает мотонейронов, управляющих движением мышц века, и вызывает мигательную реакцию. От ядер тройничного нерва к ядрам лицевых мышц идет дополнительный путь через РФ, а также путь к мозжечку через нижнюю оливу (рис. 27). Нейроны мозжечка имеют только один выход — пучок аксонов клеток Пуркинье.

125

Установлено, что клетки Пуркинье характеризуются тонической спонтанной активностью. Ее увеличение означает усиление их тормозных влияний на нейроны ядер мозжечка и красное ядро. Оно уменьшается со снижением активности клеток Пуркинье. Тем самым создаются условия для активации моторных центров и появления двигательной реакции.

При выработке условного рефлекса в мозжечке возникает избирательное торможение определенных клеток Пуркинье по принципу «торможение торможения», в результате чего из-под тормозного контроля высвобожается определенный безусловный рефлекс.

Плохое выполнение точных движений у пациентов с дисфункцией мозжечка сочетается с дефектом в когнитивной сфере. У них нарушены последовательность и согласованное исполнение когнитивных операций, из-за этого страдают генерация идей, формулирование гипотез. Таким образом, можно говорить не только о двигательной, но и о когнитивной дисметрии, возникающей в результате нарушений функций мозжечка. Мозжечок работает в единой системе с фронтальной корой и таламусом. Префронтальная кора, мозжечок и таламус, по данным ПЭТ, активируются одновременно. Это объясняют тем, что функция префронтальной коры, которая задает программу действий, дополняется функцией мозжечка, который контролирует точное ее исполнение во времени. Возможно, что дезорганизация мышления у шизофреников связана не только с нарушением рабочей памяти, но и с дисфункцией циркуляции процессов в системе префронталъная кора—таламус— мозжечок. По данным, полученным с помощью ПЭТ, у таких пациентов уровень кровотока в этих структурах по сравнению с нормой снижен.

6.2.2. Миндалина и эмоциональная память

В 1937 г. чикагские исследователи Г. Клювер и П. Бьюси опубликовали результаты опытов с удалением у обезьян обеих височных долей вместе с миндалиной и гиппокампом. После операции у обезьян наблюдалось странное поведение. У них пропала всякая агрессивность, в том числе та, которая необходима для самозащиты и поддержания своего статуса во взаимоотношениях с другими особями. Дикие и агрессивные обезьяны после такой операции становились спокойными и доверчивыми. При этом они стали менее осторожными, их сексуальная активность повысилась и стала неупорядоченной. Оперированные животные без разбору исследовали все объекты, даже опасные, забирая их в рот (психическая слепота). Кроме того, обезьяны утратили страх, перестали бояться

126

змей, хотя перед операцией при виде их приходили в ужас. Они как будто перестали отличать хорошую пищу от плохой, пригодного полового партнера от непригодного, опасные предметы и сигналы от безопасных. Подобный комплекс нарушений наблюдался и у больных с повреждением височных долей мозга. Он получил название «синдром Клювера — Бьюси».

Позже было доказано, что исчезновение эмоций страха прежде всего связано с нарушением функций миндалины и ее связей с нижневисочной корой, где локализованы гностические единицы, реагирующие на эмоциональную экспрессию. Связь миндалины с отрицательными эмоциями и особенно со страхом в 50-х годах получила подтверждение в опытах нейропсихолога из Оксфорда Л. Вейскранца, который производил избирательное разрушение миндалины у обезьян.

Миндалина у человека — сложное комплексное образование, включающеее несколько групп ядер, расположенных в глубине височной доли и имеющих многочисленные связи со многими структурами мозга. Наиболее часто в миндалине выделяют дорзо-медиалъную (или центральное ядро) и базолатеральную части (или латеральное ядро) (рис. 28). Центральное ядро представляет выход миндалины к исполнительным механизмам. Электрическая стимуляция миндалины вызывает у животного эмоцию страха и оборонительные поведенческие реакции. Критической структурой для получения подобного эффекта у собак является центральное ядро (Fonberg E., 1986). Его электрическая стимуляция вызывает вегетативные и двигательные проявления страха. Аксоны нейронов центрального ядра после бифуркации достигают латерального гипоталамуса и центрального серого вещества. Гипоталамус выполняет функцию интеграции вегетативных, соматических и гуморальных механизмов. Электрическое раздражение малых участков гипоталамуса вызывает у животного различные типы поведенческих реакций (реакции страха, агрессии, бегства, пищевые, половые, терморегуляционные реакции). Присутствие соматического, вегетативного и гуморального компонентов в составе каждой поведенческой реакции достигается за счет того, что латеральный гипоталамус (ЛГ) — структура с плохо дифференцированными ядрами — имеет эфферентные связи с вегетативными и соматическими ядрами ствола и спинного мозга. Латеральный гипоталамус регулирует гуморальные процессы через медиальный гипоталамус (МГ) - структуру с хорошо дифференцированными ядрами, с которыми он имеет двусторонние связи. Именно МГ служит промежуточным звеном между нервной и эндокринной системами.

127

Специфический таламус

Разрушение вентрального серого вещества устраняет только «замирание», а разрушение дорзального — усиливает его

Разрушение коры не устраняет УР страха

Разрушение латерального гипоталамуса устраняет только вегетативные реакции УР страха

Центральное серое вещество

Дорзальное Вентральное

Латеральный гипоталамус

Активное оборонительное поведение (борьба, бегство)

Пассивное оборонительное поведение (замирание — freezing)

Рис. 28. Схема связей миндалины с другими структурами мозга, определяющая возникновение пассивного и активного оборонительного поведения.

Миндалина ответственна не только за безусловные, но и за условнорефлекторные реакции страха. Отмечено возрастание активности ее нейронов под влиянием сочетания условного сигнала с безусловным раздражением, вызывающим страх. При этом ее нейроны не реагировали на изолированное предъявление условного или безусловного стимула, а также на их случайное чередование. Удаление или разрушение миндалины устраняет ранее выработанные условные рефлексы страха и делает невозможным выработку новых.

Миндалина получает сигналы от всех сенсорных систем. Более сложные поступают от коры, более простые — от специфического таламуса, двухолмия (верхнего и нижнего). По кортикофугальным путям к ней также приходят сигналы от нижневисочной коры, где

128

находятся нейроны, избирательно реагирующие на лица определенных людей и на различные паттерны эмоциональной лицевой экспрессии. Все сенсорные сигналы разных модальностей и разного уровня сложности приходят в латеральное ядро миндалины. Оно является сенсорным интерфейсом по отношению к центральному ядру.

В основе формирования условного рефлекса страха лежат пластические изменения синапсов афферентного входа к латеральному ядру миндалины и синапсов на нейронах центрального ядра, запускающих вегетативные и двигательные реакции страха. Первое звено пластичности обеспечивает сенсорную специфичность, второе — моторную специфичность условного рефлекса страха.

Миндалина причастна к формированию не только процедурной эмоциональной памяти, но и декларативной. Она играет критическую роль в эмоциональном и социальном поведении высших млекопитающих, так как принимает участие в декодировании эмоциональных сигналов, посылаемых другими особями, что позволяет строить поведение в соответствии с их смыслом. После двустороннего удаления миндалины у приматов нарушается социальное внутригрупповое поведение, так как животные не могут дать социальную оценку сигналам, главным образом поступающим через зрительный, слуховой и обонятельные каналы и свидетельствующим об эмоциях и намерениях партнеров, которая так необходима для группового поведения. Оперированные животные также не могут связать эту информацию с их собственными эмоциональными состояниями, определяющими их внутригруп-повые симпатии и антипатии. Поведенческие расстройства, вызванные удалением миндалин, связаны с нарушением двусторонней передачи информации между височными долями и гипоталамусом, которая у интактного животного опосредована миндалиной.

В опытах на животных доказано, что миндалина вовлекается в процесс лицевого восприятия, в ней выявлены нейроны, так же как и в нижневисочной коре, реагирующие на определенные лица независимо от их ракурса и ориентации, как и на паттерны лицевой экспрессии эмоций.

Разрушение миндалины у человека нарушает понимание эмоциональных сигналов, исходящих от других людей. Анализ клинического случая с частичным билатеральным разрушением миндалевидного комплекса (пациентка D.R. в возрасте 51 года перенесла операцию) показал, что больная плохо распознает паттерны лицевой эмоциональной экспрессии. Если же одно и то же лицо выражало разные эмоции, у больной возникали трудности при идентификации лица человека. Кроме того, после операции у нее ухудшилась память на новые лица, она не могла интерпретировать

129

9-462

направление взгляда, интонацию речи (Young A.W. et al., 1996; Scott S.K. et al., 1997). Таким образом, разрушение миндалины создает проблему чтения эмоциональных сигналов, важных для социальной коммуникации. Исследователи полагают, что у больной отсутствуют знания.о том, какие паттерны эмоциональных сигналов с какими эмоциями связаны, т.е. у нее нарушены условнореф-лекторные связи между сложными сенсорными стимулами и эмоциональными состояниями, которые могут быть индуцированы соответствующим безусловным рефлексом. Из-за разрушения миндалины страдает эмоциональная память — не функционируют и не образуются связи сенсорных сигналов с определенными эмоциональными состояниями.

При этом особенно сильно нарушается распознавание лицевой экспрессии отрицательных эмоций и прежде всего страха. Измерение методом ПЭТ метаболической активности миндалины у человека, когда он рассматривал фотографии лиц, переживающих счастье или страх, выявило избирательную активацию левой миндалины только при восприятии негативной эмоции— страха. С возрастанием интенсивности отрицательной эмоции уровень метаболической активности нейронов увеличивался. Реакция при восприятии «счастливого лица» была противоположной. Активность миндалины подавлялась, и чем сильнее лицо человека выражало эмоцию счастья, тем ниже был уровень метаболической активности в миндалине.

Как формируется декларативная эмоциональная память? Предполагают, что сенсорный сигнал от внешнего мира, поступающий из височных областей коры, и сигналы о состоянии внутренней среды, определяемые гипоталамусом, конвергируют на нейронах миндалины, изменяя их синаптические связи. Это обеспечивает формирование стабильных и длительно сохраняющихся следов эмоциональной памяти.

Миндалина обеспечивает быстрое и прочное запечатление в памяти эмоциональных событий часто после одноразового обучения. Поданным Р.Н. Кругликова, удаление миндалины у животного особенно сильно нарушает однократное обучение (пассивное избегание) на отрицательном подкреплении, вызывающем оборонительную реакцию и эмоцию страха. Эффект эмоционального запоминания положительно коррелирует с активностью миндалины. Измерение расхода глюкозы методом ПЭТ во время свободного воспроизведения содержания аверсивных клипов через 3 недели после запоминания показало, что существует линейная зависимость (г = 0,93) между активностью глюкозы в миндалине и числом клипов, сохранившихся в памяти испытуемого. Эта зависимость 130

характеризует только память на отрицательные эмоции, она не проявляется при воспроизведении эмоционально нейтральных клипов. Эмоциональная память зависит от силы НА-ергических модулирующих влияний. Инъекция в миндалину НА, воздействие электрошоком, увеличивающее также выброс НА, улучшают долговременную эмоциональную память крысы. Прием по поводу ишемической болезни сердца наиболее распространенных лекарств, блокирующих симпатическую систему (пропранолола), приводит к снижению метаболической активности миндалины, необходимой для формирования эмоциональной памяти. Такие больные демонстрируют избирательное нарушение памяти, связанной с эмоциональными эпизодами, при сохранности памяти на нейтральные, неэмоциональные события.

я

6.2.3. Функции гиппокампа в процессах памяти

Гиппокамп — древний отдел мозга. Он тесно связан с височными долями. У приматов гиппокамп прижат к миндалине в височной доле. Гиппокамп имеет мощные входные и выходные связи с перегородкой (septum) в виде толстого пучка волокон (свода). Мощный вход в гиппокамп представлен волокнами из энториаль-ной коры, куда поступают сенсорные сигналы от нейронов-детекторов и гностических единиц. Волокна энториальной коры достигают гиппокампа либо прямо, либо через зубчатую фасцию, оказывающую тормозное влияние на его нейроны. Другой вход в гиппокамп берет начало в поясной извилине — одной из структур лимбической системы.

По мере изучения гиппокампа менялось представление о его функциях. Сначала он рассматривался как кора обонятельного мозга. Затем широко распространилась точка зрения, что гиппокамп ответствен за формирование долговременной памяти. Первые свидетельства о связи гиппокампа с памятью были получены при нейрохирургических операциях на мозге.

В последнее время получены новые данные о причастности гиппокампа к процессам памяти. Они касаются способности гиппокампа различать комплексные раздражители. Оказалось, что удаление гиппокампа лишает животное способности обнаруживать общие элементы в различных стимульных комплексах. Крысы, лишенные гиппокампа, по сравнению с интактным животным быстрее и легче вырабатывают дифференцировки на комплексы в виде последовательности запахов, различающихся лишь одним компонентом. Известно, что интактное животное, чтобы научиться различать комплексы стимулов, должно пройти через стадию, когда стимулы,

131

9*

имеющие общий элемент, смешиваются. Это различие объясняется тем, что у оперированных животных происходит слияние (фузия) всех компонентов последовательности в единый комплекс, что облегчает различение самих комплексов, но не позволяет выявлять отдельные их составляющие. Полагают, что у интактного животного гиппокамп осуществляет диффузию элементов комплекса. Это свойство гиппокампа позволяет ему оживлять все следы ДП (как ранние, так и более поздние) и работать с большим их набором, что делает память обученного животного более гибкой. Удаление гиппокампа делает реакции животного стереотипными. На новые раздражители оно реагирует, как на старые. Оперированное животное трудно переучивается. Функция гиппокампа — оживлять следы памяти — тесно связана с его способностью инициировать ориентировочные реакции.

Огромный объем экспериментальных фактов накоплен в отношении связи гиппокампа с ориентировочным рефлексом. В вентральном гиппокампе найдены «нейроны новизны» двух типов: с возбуждающими и тормозными реакциями (Виноградова О.С., 1975). Они обнаруживают все свойства ориентировочного рефлекса — при повторении одного и того же стимула их реакция угасает, она может быть расторможена экстрараздражителем или длительной паузой в применении стимула либо изменением его параметров. Причастность гиппокампа к реакции новизны получила подтверждение и в поведенческих опытах с регистрацией гиппокам-пального тета-ритма. У крыс во время принюхивания, исследования обстановки тета-ритм усиливается, и исчезает параллельно с ослаблением ориентировочного рефлекса или ориентировочно-исследовательского поведения.

По данным О. С. Виноградовой, пластичные перестройки в гиппокампе при привыкании локализованы на синапсах, образуемыми мшистыми волокнами зубчатой фасции на пирамидах гиппокампа в САЗ и СА4. Механизм привыкания можно отключить с помощью введения в зубчатую фасцию кролика соответствующих антител, предварительно выработанных у другого животного. Антитела блокируют функцию мшистых волокон, что и приводит к исчезновению привыкания у нейронов гиппокампа.

Как возникает гиппокампальный тета-ритм? Сенсорный сигнал достигает нейронов гиппокампа в СА1 и СА2 через энтори-альную кору, а затем через зубчатую фасцию и нейронов САЗ и СА4. Гиппокамп связан двусторонними связями с перегородкой (септумом). Реакция гиппокампа активирует латеральный септум и через него ретикулярную формацию (РФ), которая в свою очередь стимулирует медиальный септум, инициирующий генерацию 132

тета-ритма. Появление гиппокампального тета-ритма связано с появлением реакций у нейронов новизны. С повторением стимула развивается привыкание за счет подключения тормозной функции зубчатой фасции, куда, так же как и в гиппокамп, приходит сенсорный сигнал из энториальной коры.

Привыкание в гиппокампе специфично по отношению к повторяющему стимулу. Это обусловлено специфичностью процесса долговременной потенциации и долговременной депрессии, которая также развивается на нейронах гиппокампа (см. раздел «Научение»).

Хорошо известен эффект растормаживания ранее приобретенных условных связей под влиянием действия экстрараздражителя. Его связывают с возникновением ориентировочного рефлекса. Полагают, что во время ориентировочной реакции гиппокамп актуализирует следы памяти, что позволяет ее гибко использовать в поведении.

По-видимому, гиппокамп непричастен к формированию ни декларативной, ни процедурной памяти, а только к манипуляции следами памяти. Гиппокамп, скорее, менеджер долговременной памяти (Соколов Е.Н., 1997).

б.З. НАУЧЕНИЕ

Понятия «память» и «научение» психологи и нейробиологи традиционно относят к поведенческим категориям. Они применимы для характеристики целостного организма. Память и научение — неотделимые процессы. Научение обеспечивает постоянное пополнение и изменение наших знаний, а также приобретение новых навыков, умений. В отличие от научения процесы памяти ответственны не только за усвоение (фиксацию), но и за сохранение и воспроизведение (извлечение) информации. В самом широком смысле слова научение можно определить как приспособительное изменение поведения, обусловленное прошлым опытом. Память необходима для научения, так как она представляет собой механизм, с помощью которого накапливается прошлый опыт, который может стать источником адаптивных изменений поведения.

Научение — совокупность процессов, обеспечивающих приобретение индивидуальной (фенотипической) памяти, вызывающей приспо-собителъную модификацию поведения.

Научение требует определенного времени, условий и реализуется с помощью нейрофизиологических механизмов разного уровня (межклеточного, внутриклеточного, молекулярного).

133

6.3.1. Виды научения

Существует много разновидностей научения. Они могут быть разделены на несколько групп. Наиболее часто выделяют\npocmoe научение, к которому относят привыкание, сенситизацию^яссо^и-ативное научение, включающее выработку классического" условного рефлекса, инструментального (или оперантного) рефлекса, одномоментное обучение (на аверсивном подкреплении)^ сложное научение (импринтинг, латентное обучение, обучение на основе подражания, когнитивное обучение: формирование декларативной памяти).

Привыкание как простейшая форма научения выражается в ослаблении поведенческой реакции при повторных предъявлениях стимула. От утомления и истощения привыкание отличается тем, что реакцию вновь можно вызвать простым изменением стимула.

Э. Кэндел и его сотрудники исследовали привыкание оборонительной реакции у аплизии. Защитная реакция морского моллюска в виде втягивания сифона и жабры вызывалась тактильным раздражением этих органов струей холодной воды. Многократное применение такой стимуляции уменьшало величину рефлекторной реакции втягивания. Эффект ослабления реакции мог быть кратковременным, но при достаточно большом числе повторений снижение реактивности оборонительной реакции могло сохраняться в течение нескольких недель (долговременное привыкание).

Ярким примером поведенческого привыкания является угасание безусловного ориентировочного рефлекса (или его отдельных компонентов). С повторением стимула теряется новизна, что и приводит к привыканию. Привыкание в системе ориентировочного рефлекса получило название негативного научения, состоящего в том, что стимул по мере его повторения теряет способность вызывать ту реакцию, которую он ранее вызывал. Привыкание или угасание ориентировочного рефлекса связывают с формированием «нервной модели стимула» — его многомерной энграммы, которая и тормозит систему активации ориентировочного рефлекса (см. главу «Внимание»).

Сенситизация— другая форма простейшего научения, выражающаяся в усилении рефлекторной реакции под влиянием сильного или повреждающего постороннего стимула. Сенситизация — это не просто противоположность привыкания. Она является результатом активации модулирующей системы мозга, возникшей на сильный побочный раздражитель. Усиление рефлекса вызвано изменением функционального состояния организма. 134

6.3.2. Нейронные феномены пластичности

Пластичность— фундаментальное свойство клетки, которое проявляется в относительно устойчивых модификациях реакций нейрона и во внутриклеточных его преобразованиях, обеспечивающих изменение эффективности и направленности межнейронных связей.

Свойство пластичности нейрона лежит в основе процессов научения и памяти целостного организма, проявляющихся на поведенческом уровне. Выделяют несколько основных феноменов пластичности: привыкание, сенситизацию, клеточные аналоги ассоциативного обучения, явления долговременной потенциации и долговременной депрессии, пластичность пейсмекерного механизма клетки.

Привыкание нейрона выражается в постепенном ослаблении его реакции на повторяющийся раздражитель. Восстановление реакции происходит в результате изменения стимула или применения нового, а также после прекращения привычной стимуляции. Время восстановления реакции (секунды — недели) зависит от стимуляции и изучаемого объекта.

Сенситизация нейрона— временное усиление его реакции или появление ее на ранее неэффективный стимул, возникающее в результате какого-либо сильного воздействия (например, электрического тока). Время ее сохранения — от нескольких секунд до дней и недель. Сенситизацию связывают с активацией модулирующих нейронов, вызываемой сильным биологически значимым воздействием.

Долговременная потенциация (long-term-potentiation, LTP) впервые описана для нейронов гиппокампа. В 1973 г. Т. Блис и Т. Лемо, работая в лаборатории П. Андерсена в Осло (Норвегия), впервые показали, что нейроны гиппокампа обладают выраженными пластическими свойствами, нужными для обучения. Применив высокочастотную электрическую стимуляцию, чтобы вызвать короткую серию ПД в пресинаптическом нейроне, они получили эффект усиления ответов постсинаптического нейрона на последующие одиночные импульсы, приходящие от пресинапти-ческой клетки. Эффект мог сохраняться в течение часов—недель. Они назвали такое усиление синаптической проводимости долговременной потенциацией, предположив, что постсинаптическая клетка выделяет ретроградный мессенджер, который способен проникать через мембрану пресинаптической клетки. Этим мессенджером, возможно, является окись азота, которая определяет пресинаптическое облегчение у гиппокампальных нейронов млекопитающих.

Долговременная потенциация (ДВП) в гиппокампе удовлетворяет выдвинутому Д. Хеббом критерию обучения — совпадению

135

пресинаптическои и постсинаптической активности нейрона. Этот принцип был сформулирован Д. Хеббом в 1949 г. в книге «Организация поведения» в качестве условия, необходимого для образования новых нейронных ансамблей в процессе обучения.

В опытах на срезах гиппокампа П. Андерсен и его сотрудники (Andersen P. et al., 1977) показали, что долговременная потенциа-ция обусловлена усиленным выделением медиатора из пресинап-тических окончаний. С помощью электронного микроскопа была подтверждена связь долговременной потенциации с увеличением шипиков на дендритах нейронов гиппокампа и изменением структуры синапсов.

Позже ДВП была обнаружена в других структурах мозга — миндалине, мозжечке. ДВП относится к определенному синаптичес-кому контакту. Она выявлена у идентифицированного синапса в простой нервной системе моллюска.

Долговременную потенциацию (ДВП) можно обнаружить по увеличению амплитуды и крутизны ВПСП, повышению вероятности генерации ПД, а также по увеличению числа спайков на один тестирующий стимул. Долговременная потенциация часто используется как удобная модель для изучения механизмов научения.

Долговременная депрессия (long-term-depression, LTD ) состоит в длительном снижении проводимости через синапс. Сравнительно недавно долговременная депрессия (ДВД) обнаружена в коре мозжечка у клеток Пуркинье. Ее можно вызвать совместной низкочастотной стимуляцией (1—4 Гц) двух входов к клеткам Пуркинье: афферентного входа через параллельные волокна к ее дендри-там и входа от лазящих волокон из нижней оливы, посылающей сигналы о совершаемых двигательных рефлексах.

Сигнал от лазящего волокна увеличивает приток ионов Са2+ к клеткам Пуркинье. Это вызывает в нейроне каскад преобразований, где главная роль принадлежит процессам фосфорилирования-дефос-форилирования. Предполагают, что ДВД возникает вследствие того, что ионы Са2+ активируют белок фосфатазу, который обеспечивает дефосфорилирование рецепторов на дендритах клеток Пуркинье, снижая тем самым их синаптическую проводимость. Не исключается возможность и второго механизма торможения клеток Пуркинье через долговременную потенциацию тормозного входа к ним от корзин-чатых интернейронов. ДВД возникает только на тех синапсах параллельных волокон к клеткам Пуркинье, возбуждение которых по времени совпадает с сигналом, приходящим из нижней оливы.

Таким образом, долговременная депрессия в клетках Пуркинье — тот механизм пластических изменений в нейроне, благодаря которому в мозжечке формируются условные рефлексы.

136

Клеточные аналоги ассоциативного обучения можно получить во многих структурах мозга. Так, 40% нейронов гиппокампа способны к обучению (Котляр Б.И., 1986). Процедура формирования условного рефлекса у нейрона требует, чтобы к нему последовательно, с небольшой задержкой приходили сигналы от условного и безусловного стимулов. Условным стимулом может быть любое сенсорное или электрическое раздражение, которое вызывает лишь подпороговую реакцию (ВПСП). Безусловный раздражитель должен вызывать у нейрона спайковые разряды (ПД). Под влиянием сочетания «индифферентного» раздражителя с безусловным нейрон, способный к ассоциативному обучению, начинает отвечать на условный стимул реакцией, которая ранее возникала только на безусловное раздражение.

У отдельного нейрона можно выработать не только классический условный рефлекс, но и инструментальный. Впервые это показали исследователи из Мичигана Джеймс и Мариана Олдс в 1961 г., а затем и другие исследователи. В опытах Э. Фетца и М.Э. Бейкер (Fetz E., Baker M., 1973) с помощью вживленных электродов регистрировали активность нейронов в двигательной коре у бодрствующей обезьяны. Когда частота ПД случайно превышала некоторый уровень, шкала прибора перед обезьяной освещалась и животное получало положительное подкрепление — несколько капель фруктового сока. В результате такой процедуры активность нейрона возрастала до того уровня, который подкреплялся. С отменой подкрепления частота ПД возвращалась к исходному, фоновому значению (угасание инструментального рефлекса). Параллельная регистрация ЭМГ и механограммы мышцы задней стопы показала, что возрастание частоты спайков нейрона двигательной коры, вызванное обучением, несколько опережает начало электрической и механической активности мышцы. Это позволило утверждать, что инструментальный условный рефлекс был выработан у нейрона, который и запускал двигательную реакцию, а не наоборот.

Многие исследования были посвящены формированию аналогов условного рефлекса на различных модельных системах: срезах мозга, изолированной нервной системе моллюска, синапти-чески связанных нейронах. Особенно впечатляющими оказались результаты изучения клеточных механизмов пластичности на полностью изолированной соме нейрона. Этот препарат впервые был получен у аплизии и применен Р. Баумгартеном с соавторами (Baumgarten R.I. et al., 1971).

На виноградной улитке ассоциативное обучение у полностью изолированного нейрона было исследовано Т.Н. Греченко (1979). Сому нейрона, изолированную от отростков, получают при помо-

137

щи обработки ганглиев виноградной улитки протеомитическим ферментом — трипсином с последующим выдерживанием в термостате при температуре 37—38°С в течение 15—20 мин. После такой процедуры нейроны лишаются отростков. Изолированный нейрон может состоять только из сомы или из сомы с культей аксона. Он сохраняет присущую ему фоновую ативность, тип хемочувствительности.

В качестве условного стимула (УС) использовались микроаппликация медиаторов (ацетилхолина или серотонина) или прямая деполяризация током через внутриклеточный электрод. Все условные стимулы вызывали лишь ВПСП и были подпороговыми для ПД. В качестве безусловного стимула (БС) применялся раздражитель большой силы, который вызывал устойчивую генерацию ПД. Интервал времени между УС и БС 5-500 мс, интервал между парами стимулов — от 40 с до 3 мин. Через 10-15 сочетаний условный стимул начинал вызывать реакцию, характерную для БС. Условный ответ у разных нейронов сохранялся в течение 5—40 мин. Дополнительное обучение увеличивало время сохранения следового эффекта. Неподкрепление вело к постепенному угасанию условной реакции. 80% нейронов (из 503) продемонстрировали феномен отсроченного обучения. Условный ответ после прекращения процедуры обучения появлялся не сразу, а спустя некоторое время. Интервал от момента прекращения обучения до достижения максимального следового эффекта для разных нейронов составлял от 1-3 до 60 мин и более (Греченко Т.Н., Соколов Е.Н., 1987).

Был выявлен локальный характер обучения на одном нейроне. Условные и безусловные раздражители действуют через отдельные локусы мембраны, и условный ответ формируется только между теми участками мембраны, к которым направлены УС и БС. Поэтому на одном изолированном нейроне можно выработать параллельно несколько различных условных рефлексов, включая диф-ференцировку, а также получить их селективное угасание. Эти результаты невозможно объяснить механизмом пресинаптической пластичности: полностью изолированные нейроны лишены каких-либо контактов с другими нейронами. Они указывают на роль пост-синаптического и, вероятно, молекулярных механизмов в становлении следов памяти.

6.3.3. Пластичность пейсмекерного механизма

Особый вид пластичности обнаруживают пейсмекерные нейроны, способные к генерации эндогенного ритма.

Пейсмекеры (водители ритма) представляют собой источники активности мозга. Различают пейсмекеры в виде нейронной сети и 138

в виде отдельных нейронов, способных генерировать ритмическую спайковую активность.

Самый простой сетевой пейсмекер — это по крайней мере два нейрона, соединенных обратной положительной связью. Такая система обеспечивает межклеточную реверберацию сигнала (его многократное отражение). Реверберация реализуется через нервную сеть, так как сигнал выходит за пределы мембраны нейрона, где он первично возник. Воздействуя на один из нейронов сетевого пейсмекера, можно управлять его работой, включая или выключая реверберацию сигнала.

Другой тип пейсмекера состоит из одного нейрона, в котором возникает внутриклеточная реверберация импульса. Ее появление обусловлено двусторонним электротоническим распространением ПД вдоль аксона к его окончанию и в обратном направлении к соме. Достигая аксонного холмика, он вызывает генерацию нового ПД. Так возникает серия импульсов за счет челночного движения ПД. Но так как при распространении ПД вдоль аксона он активирует ионные каналы Са2+, то в результате увеличения притока ионов кальция внутрь клетки открываются кальций-зависимые К-каналы. Ионы К выходят в экстраклеточное пространство, и возникает волна гиперполяризации, которая ограничивает длительность ПД и ВПСП. Если заблокировать калиевые каналы, то клетка перейдет в режим реверберации. Таким образом, Са2+-зависимые К-каналы представляют собой звено, через которое можно включать и выключать режим внутриклеточной реверберации возбуждения.

Третий тип пейсмекера — это нейрон, в сому которого встроен генератор ритмической активности. Такие нейроны получили название пейсмекерных нейронов. Потенциалы, которые они генерируют (синусоидальные колебания на частоте около 0,1 — 10 Гц), относятся к эндогенным и могут быть выявлены у полностью изолированной сомы (Греченко Т.Н., Соколов Е.Н., 1987). Пейсмекерные потенциалы модулируют уровень мембранного потенциала. В отсутствие внешнего источника возбуждения синусоидальные эндогенные потенциалы периодически достигают порога генерации ПД, что и определяет появление у них ритмических спайко-вых разрядов. Предполагают, что пейсмекерная активность таких нейронов связана с колебаниями электрогенного активного транспорта ионов. Активный транспорт восстанавливает нарушенный после генерации ПД градиент ионов Na и К, имеющийся по обе стороны мембраны, и тем самым предохраняет нейрон от перевозбуждения. Пейсмекерная активность такого нейрона отражает ритм открывания и закрывания Са2+-каналов, которые взаимодействуют с Са2+-зависимыми К-каналами.

139

К факторам, запускающим генерацию эндогенного ритма, относятся синаптические и гуморальные влияния, действие пепти-дов, диффузное внесинаптическое влияние медиаторов. Они включают и выключают режим пейсмекерной активности. Управление пейсмекерной активностью экстраклеточными факторами обеспечивается взаимодействием локуса генерации эндогенного ритма с хемовозбудимой и электровозбудимой мембраной. Показана зависимость ритмической активности нейронного пейсмекера от уровня деполяризации нейрона. При слабой деполяризации основной вклад в генерацию эндогенных потенциалов вносят низкопороговые Са2+-каналы, при высоких значениях деполяризации — высокопороговые. С заменой низкопороговых Са2+-каналов на высокопороговые частота эндогенного ритма возрастает.

Пейсмекерные нейроны используются для управления реакциями организма. С их помощью реализуются генетические программы (например, локомоции). Благодаря их зависимости от си-наптических влияний они могут обеспечивать более гибкое применение генетических программ в адаптивном поведении.

Пейсмекерный механизм обладает пластичностью, которая выражается в том, что ответ нейрона меняется по мере повторения действия одиночных раздражителей. В том случае, если ответ пейсмекерного нейрона слабеет от применения к применению, этот процесс по аналогии с угасанием поведенческой реакции называют привыканием. Кроме привыкания, имеет место обратный процесс возрастания реакции нейрона от применения к применению. Его называют фасилитацией. Пластические реакции у пейсмекерного нейрона могут обеспечиваться изменением как возбудимости пейсмекерного механизма, так и эффективности синоптической передачи. Пластические свойства пейсмекерного механизма существенно расширяют адаптационные возможности организма в манипуляции генетическими программами поведения.

6.4. РОЛЬ ИОННЫХ ПРОЦЕССОВ И ВНУТРИКЛЕТОЧНЫХ ВЕЩЕСТВ В ПЛАСТИЧНОСТИ НЕЙРОНОВ

Для того чтобы понять, что происходит в нейроне во время привыкания или сенситизации, а также ассоциативного обучения, следует рассмотреть ионный механизм нормальной передачи сигнала через химический синапс от одного нейрона к другому. Во время генерации ПД ионы натрия и кальция входят в клетку, а ионы калия выходят из нее. Калиевый ток из клетки создает волну гиперполязизации, которая обрывает ПД и ВПСП. ПД распространяется от сомы вдоль аксона с помощью потенциал-зависимых

140

Са2+

Са2+

Постсинаптическая клетка а

Рис. 29. Важнейшие события, происходящие в химическом синапсе после прибытия импульса в окончание аксона.

а — потенциал действия открывает каналы для входа Са2+ в пресинаптическое окончание; б — синаптические пузырьки сливаются с пресинаптической мембраной, высвобождая при этом медиатор; в — медиатор связывается с белками постсинаптической мембраны, изменяя их конформацию; г — после удаления медиатора из щели постсинаптические белки возвращаются в исходное состояние (по Б. Альбертсу и др., 1994).

натриевых каналов, которые открываются и закрываются по мере движения нервного импульса. Когда ПД достигает окончания аксона, под его влиянием открываются потенциал-зависимые кальциевые каналы, находящиеся в мембране окончания аксона. Ионы Са2+ входят в аксон, в результате чего в синаптическую щель выбрасываются кванты медиатора. На рис. 29 представлено конечное звено высвобождения медиатора в синаптическую щель. Синапти-ческая передача осуществляется с помощью высвобождения ме-

141

диатора, которое невозможно без притока ионов кальция из внеклеточной среды. Если удалить ионы кальция из экстраклеточного пространства, то прибывший к окончанию аксона ПД не высвобождает медиатор и передачи сигнала не происходит. Если же искусственно увеличить содержание ионов кальция в аксоне (ввести через пипетку), это вызовет высвобождение медиатора даже в отсутствие электрического импульса (результаты получены на синапсе между гигантскими нейронами кальмара). Чем выше концентрация ионов кальция в окончании аксона, тем выше скорость выделения медиатора.

Особая функция ионов кальция в передаче сигнала объясняется тем, что он в пресинаптическом нейроне запускает цепочку биохимических процессов, которая увеличивает число активированных Са2+-каналов. Это создает эффект усиления выброса медиатора из пресинаптического окончания. Последовательность биохимических событий, развертывающихся в пресинаптичском нейроне после входа в него ионов Са2+, выглядит следующим образом. В нейроне для ионов Са2+ существует внутренний рецептор— каль-модулин. Это специфический белок, с которым кальций образует комплекс. Возникнув, последний активирует фермент аденилат-циклазу. С ее помощью из АТФ синтезируется циклический адено-зинмонофосфат (цАМФ), активирующий протеинкиназы. Проте-инкиназа А фосфорилирует белки потенциал-независимых кальциевых каналов в результате присоединения к ним фосфатной группы. Это открывает дополнительное число Са2+-каналов. В клетку входит еще большее количество ионов кальция, что дополнительно увеличивает выход медиатора из нейрона. Ионы кальция, как и цАМФ, выполняют роль посредников в выбросе медиатора из пресинапти-ческой мембраны. Работа клеточного аппарата, обеспечивающего преобразование ПД в выход медиатора и тем самым передачу сигнала через химический синапс от нейрона к нейрону, представлена на рис. 30 (вход I).

Этот же аппарат клетки, обеспечивающий передачу сигнала от нейрона к нейрону, используется и для длительных изменений синаптической проводимости, связанных с обучением: привыканием, сенситизацией, а также с ассоциативным обучением, главным образом на начальном его этапе. Критическая роль в этих процессах принадлежит модулирующим нейронам. Они имеют свой вход к этому клеточному аппарату — вход II (см. рис. 30). У моллюсков это серотонинергические нейроны. Внутриклеточной мишенью для серотонина, так же как для комплекса кальций+кальмодулин, является аденилатциклаза, за счет которой из аденозинтрифосфа-та (АТФ) — универсального источника энергии для биохимичес-

142

* Вход I 1 (эффект ПД)

1 , ВходИ , 1 i (эффект серотонин- i

1 модулирующей системы) '

i i

Открытие потенциал-зависимых Са2+-каналов

I

Са2++ кальмодулин

J

Аденилатциклаза

I I

АТФ

Ш

цАМФ (циклический нуклеотид)

Т

Протеинкиназа А

Протеинкиназа С

Фосфорилирование белков Са2+-каналов

Фосфорилирование белков К-каналов

Открытие потенциал-независимых Са2+-каналов

Закрытие К-каналов

Рис. 30. Основные этапы фосфорилирования Са2+- и К-каналов, обеспечивающего кратковременное изменение проводимости синапса.

ких процессов синтезируется циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). За счет двойного действия на аденилатциклазу Са2+ и серотонина возрастает образование цАМФ. Активированные киназы фосфорилируют белки ионных каналов. Киназа А взаимодействует с белками кальциевых каналов и открывает их для входа ионов кальция. Киназа С фосфорилирует белки калиевых каналов, вызывая

143

Рис. 31. Зависимое от активности пресинаптическое облегчение у аплизии (по Э. Кэнделу и Р. Хокинсу, 1992).

их закрытие. Это уменьшает калиевый ток из нейрона и калиевую гиперполяризацию, следующую за ПД и ВПСП, что приводит к удлинению ПД. На рис. 31 показана цепочка реакций, приводящих к инактивации К-каналов, вызываемой возбуждением модулирующих нейронов. Продление ПД удерживает потенциал-зависимые Са2+-каналы в открытом состоянии, что увеличивает в нейроне содержание свободного кальция и выброс медиатора. Фосфорили-рование калиевых каналов (S-каналов ) рассматривается как одна из форм кратковременной памяти, которая ограничена временем жизни белка, образующего S-каналы, и легко стирается при воздействии фосфопротеинфосфотаз (дефосфорилирующих S-каналы).

События, разворачивающиеся на постсинаптическом нейроне у млекопитающих в ситуации обучения, связаны с особой группой рецепторов, медиатором для которой служит глутамат. Среди них различают NMDA-рецепторы (они селективно активируются синтетическим аналогом глутамата N-метил-О-аспартатом) и не-NMDA-рецепторы. Каналы, связанные с NMDA-рецепторами, имеют двойные ворота, открывающиеся при выполнении двух условий: мембрана должна быть сильно деполяризована, а к рецептору должен присоединиться медиатор глутамат (рис. 32). Каналы, связанные с NMDA-рецепторами, находясь в открытом состоянии, пропускают очень большой поток ионов Са2+. Эта их отличительная особенность очень важна для механизма памяти. He-NMDA-рецепторы, реагируя на глутамат, сразу открывают кальциевые

144

Рис. 32. Внутриклеточные процессы в постсинаптическом нейроне гиппо-кампа, реагирующего на глутамат (по Э. Кэнделу, Р. Хокинсу, 1992).

ионные каналы без дополнительных условий и Са2+ входит в нейрон. Это создает уровень деполяризации нейрона, который необходим для реакции NMDA-рецепторов. Деполяризация нейрона снимает блокаду с NMDA-каналов, которая осуществляется внеклеточным магнием (Mg). Изменения на постсинаптической мембране с участием NMDA- и He-NMDA-рецепторов наиболее хорошо изучены у нейронов гиппокампа на модели долговременной

145

Привыкание

Многократное раздражение сифона

Раздражение сифона

Сенситизация

Повторное раздражение головы

Ток ионов Са2+ через потенциал-зависимые кальциевые каналы "снижается

Потенциал-зависимые Саг*-каналы инактивируются

Слабая реакция мотонейрона

Раздражение сифона

Калиевые каналы

l инактиви-\ руются

V

JF1 Количество

выделяемого/-^-.". • • ~—--«.^медиатора ***"^ возрастает

Продолжительное поступление Са2+ вследствие того, что инактивация калиевых каналов увеличивает длительность потенциала действия

Сильная реакция мотонейрона

Рис. 33. Механизм передачи сигнала от сенсорного нейрона к моторному,

участвующего во втягивании жабры у аплизии при привыкании (а) и син-

ситизации (б) (по Б. Альбертсу и др., 1994).

потенциации. Показано, что NMDA-рецепторы играют ключевую роль в долговременной потенциации. Если такие каналы селективно блокировать с помощью специального ингибитора, то долговременная потенциация не происходит, хотя синаптическая передача не нарушается. При этом животное теряет способность к тому виду научения, который связан с гиппокампом. Искусственно регули-146

руя внутриклеточный уровень ионов Са2+, можно усилить потен-циацию или предотвратить ее. Ионы Са2+, войдя в постсинапти-ческую клетку, соединяются с кальмодулином и в конечном счете активируют зависимые от него киназы. Предполагается, что кина-зы стимулируют синтез ретроградного мессенджера, который проникает в пресинаптический нейрон и там дополнительно усиливает выброс из него медиатора глутамата.

Ионные процессы при сенситизации и привыкании в системе сенсорный нейрон — моторный нейрон, отвечающей за исполнение рефлекса втягивания жабры у аплизии (по результатам опытов Э. Кэндела), схематически представлены на рис. 33. При сенситизации, которую можно вызвать у моллюска ударами по голове, активируются модулирующие нейроны. Они образуют на пресинап-тических окончаниях сенсорного нейрона синапсы, выделяющие серотонин. Серотонин через аденилатциклазу, с которой он взаимодействует, приводит к инактивации калиевых каналов, что создает условия для удлинения ПД у сенсорного нейрона. В результате сенсорный нейрон может выделять больше нейромедиатора в синаптическую щель, чем обычно. Аналогичный эффект сенситизации у этих же нейронов можно получить, прикладывая серотонин непосредственно к их мембране.

При привыкании повторяющееся возбуждение сенсорных клеток (на раздражение сифона) изменяет белки ионных каналов таким образом, что приток Са2+ в клетку падает за счет инактивации кальциевых каналов и количество высвобождаемого медиатора в синаптическую щель уменьшается.

Рассмотренные выше привыкание и сенситизация — очень простые формы научения. При ассоциативном научении процессы, происходящие в нервных клетках, значительно более сложны. Однако нейронные механизмы пластичности и связанные с ними ионные процессы, определяющие сенситизацию и привыкание, используются и в системе ассоциативного обучения. Так, события, развертывающиеся в нейроне во время сенситизации, могут быть обнаружены на начальном этапе ассоциативного обучения нейрона.

Отличительной особенностью ассоциативного обучения является наличие подкрепления, в роли которого может выступать сильное безусловное раздражение. Формирование ассоциации у нейронов предполагает наличие конвергенции подкрепляющего раздражителя и будущего условного сигнала. Механизмы условного рефлекса детально были изучены на нейронах моллюсков. Особенно следует отметить вклад, который внесли работы Э. Кэндела и его коллег, выполненные на морском моллюске аплизии. У моллюска имеется простой безусловный оборонительный рефлекс в

147

виде втягивания жабры, служащей органом дыхания, в ответ на раздражение его тела с противоположной стороны от жабры (сифона — мясистого отростка). Рефлекс вызывается возбуждением сенсорных нейронов сифона, которые прямо контактируют с мотонейронами жабры, а также с рядом интернейронов, образующих синапсы на тех же мотонейронах. Кроме того, рефлекс может быть вызван раздражением и других частей тела, в частности «хвоста», электрическая стимуляция которого и была использована в качестве безусловного раздражителя при выработке условного рефлекса. Установив, что у моллюска можно выработать условный оборонительный рефлекс — втягивание жабры — на слабое тактильное раздражение сифона, подкрепляемое электрическим ударом по «хвосту», авторы исследовали связи между сенсорными нейронами сифона и их клетками-мишенями — мотонейронами и интернейронами. Было обнаружено, что после выработки условного рефлекса слабая стимуляция сенсорных нейронов, связанных с сифоном, одновременно начинает вызывать возбудительные синап-тические потенциалы как в интернейронах, так и в моторных, что и определяет появление условнорефлекторного втягивания жабры. Э. Кэндел и Р. Хокинс (1992) так описывают результаты своих исследований по выработке условного оборонительного рефлекса у аплизии. Безусловный раздражитель — электрический удар по «хвосту» — активирует модулирующие нейроны, выделяющие се-ротонин. Таким образом, безусловный раздражитель представлен в сенсорном нейроне опосредованно через модулирующие нейроны. Условный раздражитель на сенсорном нейроне представлен их собственной активностью. Пунктом их конвергенции в сенсорном нейроне является аденилатциклаза, активация которой через два входа создает эффект, аналогичный сенситизации. Повышение проводимости через синапс в пресинаптическом нейроне, возникающее при ассоциативном обучении за счет совпадения активирующих влияний, поступающих через разные входы, требует от них соблюдения определенных временных отношений. Условный сигнал должен опережать действие безусловного на некоторый критический интервал времени. Это правило временных отношений условного и безусловного раздражителей было сформулировано И.П. Павловым. Для условного рефлекса втягивания жабры время опережения условным сигналом безусловного составляет около 0,5 с. Модулирующие нейроны, активированные болевым раздражением «хвоста» и действующие как усилители, вызывают большее пре-синаптическое облегчение сенсорных нейронов, если последние незадолго до этого находились в активном состоянии. Стимуляция же одних модулирующих нейронов вызывает меньшее синапти-148

Пресинапти-ческий нейрон

Пресинапти-ческий нейрон

Пост-

синапти- Пресинапти-ческий ческий нейрон • нейрон

Модулирующий нейрон

Пост-синапти-ческий нейрон

Рис. 34. Два принципа обучения: пре-постсинаптическое совпадение —

синапс Хебба (а) и обучение,'зависимое от модулирующего нейрона, —

пре-модулирующее совпадение, или зависимое от активности облегчение (б)

(по Э. Кэнделу, Р. Хокинсу, 1992).

ческое облегчение. Поэтому необходимо опережение безусловного раздражителя активацией пресинаптического нейрона, которая представляет действие условного раздражителя.

Это свойство пресинаптического облегчения, зависящее от вклада модулирующих нейронов, в 1963 г. Л. Тауц и Э. Кэндел назвали обучением, зависящим от активности (рис. 34), и стали его рассматривать как новый принцип обучения. Поэтому к первому принципу обучения, предложенному в 1949 г. Д. Хеббом, добавился второй. Принцип Д, Хебба утверждает необходимость совпадения активности пресинаптического и постсинаптического нейронов как условие усиления связи между ними (пре-постсинаптическое совпадение}. Он получил название «синапс Хебба*. Согласно второму принципу для усиления связи между нейронами активность постсинаптической клетки не нужна, если одновременно с пресинаптической клеткой активирован третий нейрон — модулирующий (пре-модулирующее совпадение).

Суть обучения, зависящего от активности, составляет одновременная активация фермента аденилатциклазы ионами Са2+, входящими в нейрон во время генерации ПД, и серотонином от модулирующих нейронов.

Появление пресинаптического облегчения в составе ассоциативного обучения за счет участия модулирующих нейронов доказано при формировании условного оборонительного рефлекса у виноградной улитки. В системе оборонительного рефлекса улитки модулирующие нейроны представлены пулом серотонинергичес-

149

ких клеток педального ганглия. Их модулирующее влияние широко распространяется в том числе и на пресинаптические окончания сенсорных нейронов на командном нейроне оборонительного рефлекса. Избирательная блокада модулирующих нейронов препятствует выработке условного рефлекса. Сопровождение условного сигнала ударом тока активирует модулирующие нейроны, которые запускают механизм пресинаптического облегчения.

Неясно, как далеко можно экстраполировать данные, полученные на моллюсках. Таков ли клеточный механизм фиксации следов памяти и у других животных? Э. Кэндел и Р. Хокинс полагают, что при обучении у моллюска и у млекопитающих действуют сходные механизмы, использующие модулирующее вещество, вызывающее зависимое от активности усиленное выделение ней-ромедиатора из пресинаптического нейрона. По их мнению, долговременная потенциация в гиппокампе как одна из форм обучения млекопитающих требует участия специального гипотетического модулирующего вещества.

6.5. ДОЛГОВРЕМЕННАЯ ПОТЕНЦИАЦИЯ

И ДОЛГОВРЕМЕННАЯ ДЕПРЕССИЯ КАК ВЫРАЖЕНИЕ ПЛАСТИЧНОСТИ В БИДИРЕКЦИОННОМ СИНАПСЕ

После того как в мозжечке было открыто явление долговременной депрессии (ДВД) и ее удалось связать с механизмом выработки мигательного условного рефлекса, интерес к изучению ДВД резко возрос. ДВД в мозжечке выявлена в отношении возбудительной передачи и развивается на синапсах параллельных волокон — сенсорного пути к клеткам Пуркинье. Для ее появления требуется сочетание стимуляции параллельных волокон, представляющих условный сигнал, со стимуляцией лазящих волокон, проводящих сигнал от безусловного раздражителя к клеткам Пуркинье. ДВД сегодня выявлена не только в мозжечке, но и в новой коре, гиппокампе, таламусе и др.

Какой эффект появится: ДВД или ДВП — зависит от того, какова частота стимуляции путей к пресинаптическому нейрону и каков уровень поляризации мембраны постсинаптического нейрона. В коре и гиппокампе высокочастотная стимуляция обычно вызывает ДВП, низкочастотная — ДВД. В мозжечке, наоборот, высокочастотная совместная стимуляция параллельных и лазящих волокон приводит к развитию ДВД.

Оказалось, что ДВД и ДВП более тесно связаны между собой, нежели представляли раньше. Оба явления могут быть воспроизведены на одном и том же синапсе (рис. 35). Синапс, в котором 150

Порог модификации

Уровень

постсинаптического возбуждения

ДВД-1

Рис. 35. Зависимость появления долговременной потенциации (ДВП)

и долговременной депрессии (ДВД) в бидирекционном синапсе от порога

модификации и уровня постсинаптического возбуждения.

можно при определенных условиях получить ДВП или ДВД, получил название бидирекционного. Он принципиально отличен от синапса Хебба, требующего пре-постсинаптического совпадения. Ему не нужно подкрепления в виде активации постсинаптического нейрона. Так, ДВД можно получить ритмической стимуляцией, когда мембрана постсинаптического нейрона гиперполяризована.

Полагают, что пластические изменения у такого бидирекционного синапса в виде появления ДВП и ДВД обусловлены действием ритмической стимуляции на особый тип рецепторов, возбуждение которых открывает каналы для впуска в клетку мощного потока ионов кальция. Такими свойствами обладают рецепторы NMDA. Их активация аналогична действию безусловного раздражителя. Высокочастотная стимуляция, вызывающая ДВП, действует непосредственно через NMDA-рецепторы. Хотя не исключается, что высокочастотный раздражитель может открывать и потенциал-зависимые кальциевые каналы. А это означает возможное подключение и постсинаптического нейрона, т.е. участие подкрепления полностью не исключается.

Для объяснения свойств бидирекционного синапса вводится понятие «порог модификации». Он соответствует определенной комбинации уровня постсинаптического возбуждения и частоты стимуляции, при которой не возникает ни ДВП, ни ДВД. Порог модификации — это некая критическая точка, в которой происходит переход от ДВП к ДВД. Только уход от порога модификации определяет появление ДВД или ДВП. Порог модификации — скользя-

151

щая величина, он может сдвигаться как в одну, так и в другую сторону в зависимости от состояния постсинаптического нейрона. Его скольжение получило название «пластичности синоптической пластичности» или «метапластичности».

В качестве возможных механизмов «метапластичности» рассматривают кальций-зависимые изменения активности внутриклеточных веществ. В их роли выступают протеинкиназы, вызывающие фосфорилирование белков, и протеинфосфотазы, инициирующие обратный процесс — дефосфорилирование. Баланс между фосфо-рилированием и дефосфорилированием определяет появление ДВП или ДВД. При малой интенсивности постсинаптического возбуждения преобладает активность фосфотазы, что приводит к дефосфори-лированию. При сильном возбуждении доминирует процесс фос-форилирования.

В некоторых случаях ДВД можно было получить только после предварительно вызванной ДВП. Такая ДВД была названа депо-тенциацией. Недавно были выявлены ДВП и ДВД тормозной передачи в неокортексе и в мозжечке. ДВП и ДВД противоположно действуют в отношении возбудительных и тормозных входов. Так, увеличение концентрации Са2+ в нейронах коры вызывает ДВП возбудительного входа и ДВД тормозного, и наоборот. В мозжечке увеличение содержания ионов Са2+ в нейронах ведет к ДВД возбудительного входа и ДВП тормозного.

6.6. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПЛАСТИЧНОСТИ

Повышенный интерес к изучению молекулярных механизмов памяти в 50—60-х годах был вызван работами известного шведского нейрохимика X. Хидена, изучавшего роль рибонуклеиновой кислоты (РНК) в процессах памяти и положившего начало исследованию кодирования приобретаемого навыка последовательностью нуклеотидов РНК. Он изучал содержание РНК и белков в нейронах вестибулярной системы у обученных крыс и кроликов. Крыс тренировали взбираться по наклонно натянутой проволоке, к концу которой прикреплялась приманка. Кролики вращались в устройстве, напоминавшим детскую карусель. Оказалось, что освоение животными нового поведения сопровождалось ростом синтеза РНК и белков. Предполагалось, что последующий синтез белка на матрице «обученной» РНК сохраняет приобретенную информацию («запоминающие белки»). Гипотеза X. Хидена о роли РНК в кодировании памяти была критически переоценена самим автором и не получила подтверждения опытами других исследователей. В серии работ, выполненных многими авторами,

152

была установлена связь обучения с ростом синтеза ядерной и ци-топлазматической РНК во многих структурах мозга. Его блокада с помощью рибонуклеазы, вводимой разными способами (в структуры мозга, на его поверхность или внутрибрюшинно), у крыс и кроликов приводила к исчезновению ранее выработанных условных рефлексов и затрудняла обучение новым навыкам. Однако до сих пор не доказана биохимическая специфичность белков, синтезируемых в процессе запоминания. Поэтому роль РНК и белков в механизмах памяти исчерпывается их участием в восстановительных процессах клеток, вовлеченных в активное функционирование. Позднее, в 70-х годах, исследователи пришли к выводу о том, что сохранение приобретенной информации связано не с РНК, а с ДНК.

Существенный вклад в понимание молекулярных механизмов памяти внесли Франсуа >{?акоб и Жак Моно, которые во Франции в 1961 г. впервые опубликовали результаты своих исследований белкового синтеза у бактерий. Они описали сложную структуру генетического контроля со специальным механизмом, обеспечивающим адаптацию организма к воздействиям внешней среды. За эту работу, признанную теперь классической, они были удостоены впоследствии Нобелевской премии. Обычно бактерия использует в качестве источника углерода фруктозу или сахарозу. Но если ее перенести на среду, содержащую сахар лактозу, которую нужно предварительно расщепить, чтобы получить углерод, то часть молекул лактозы, проникая в клетку, запускает специальный механизм, который изменяет репрессор — белок, подавляющий транскрипцию ДНК в РНК. Это делает возможным синтез фермента, необходимого для расщепления лактозы. Действие реп-рессора можно устранить с помощью других белков или гормонов. Таким образом, помимо структурных генов, хранящих информацию об организме, они выделили особые регуляторные белки, которые, присоединяясь к ДНК или отделяясь от нее, контролируют экспрессию генов.

Существует много моделей, объясняющих связь памяти с генетическими структурами нейрона. Большинство из них утверждает 'наличие единого процесса экспрессии генов, стимулируемого обучением. Она ведет к синтезу многих классов белков — рибосом-ных, синаптических структурных белков аксонных окончаний, энзимов (ферментов) для синтеза мембранных липидов.

Двухфазная модель синтеза белков как основа долговременной памяти впервые была предложена Э. Глассманом (Glassman E., 1969). Опираясь на результаты опытов других исследователей, показавших, что ингибитор синтеза белка у золотой рыбки одно-

153

временно вызывает блокаду синтеза РНК и дефицит памяти, он описал цепь молекулярных событий, определяющих долговременное хранение информации, как последовательность: белок-1 — РНК — белок-2. Э. Глассман предположил, что белок-1, синтезируемый во время обучения, является активатором для специфических генов, которые на следующем шаге кодируют РНК, опре-делящую синтез белка-2. Последний причастен к консолидации памяти. В результате синаптические связи, которые появляются между нейронами в процессе обучения, превращаются в постоянные.

Идеи Э. Глассмана получили подтверждение в серии работ X. Мэттиаса и его коллег (Matthies H. et al., 1989), обративших внимание на наличие двух волн активации синтеза белков после обучения крыс различению стимулов. Первая волна белкового синтеза начиналась непосредственно после тренировки, в то время как вторая появлялась 6-8 ч спустя. Был сделан вывод, что две стадии формирования долговременной памяти требуют разных белков: регуляторных и эффекторных соответственно.

Экспериментальные доказательства двух фаз активации синтеза РНК и белков при обучении крыс получены с помощью радиоактивных методов. Регулярное измерение включенных в РНК и белки меченых предшественников в разные сроки после обучения обнаружило отставленные во времени два пика активации транскрипции и трансляции. При обучении крыс активному избеганию содержание радиоактивных РНК и белка возрастает в течение первого часа после сеанса обучения и вторично на 6—10-м часу.

А. Барзилаи (Barzilai A. et al., 1989) с коллегами из лаборатории Э. Кэндела описали две волны активации синтеза белка у сенсорных нейронов морского моллюска аплизии, когда долговременное синаптическое облегчение создавалось (в течение более 24 ч) аппликацией серотонина в течение 1,5 ч или 2-часовой аппликацией аналога цАМФ. Активация синтеза белка измерялась по включению радиоактивного 358-метионина. Появление первой волны активации синтеза белка наблюдалось через час после подведения серотонина, ко 2-му часу она исчезала. На 3-м часу возникала вторая волна активации синтеза белка, более выраженная и протяженная во времени.

Анализ состава синтезируемых белков с помощью гель-электрофореза показал, что на первой фазе активации под влиянием серотонина и цАМФ создаются одни и те же 15 белков. Их активация кратковременна (от 1 до 3 ч) и наступает через 15—30 мин после начала воздействия. Вторая волна появляется через 3 ч после начала воздействия и длится около 5 ч; она включает синтез четырех новых белков, а через 24 ч — синтез еще двух.

154

Одна из популярных сегодня молекулярных моделей памяти представляет процесс формирования памяти следующим образом. Внешнее воздействие (изменение экстраклеточной среды) вызывает в геноме нейрона каскадную реакцию, в которой выделяются две фазы активации синтеза белков и РНК. Первая фаза активации соответствует индукции специфических регуляторных генов из класса «непосредственно ранних генов». Продукты ранних генов индуцируют экспрессию «поздних» генов — морфорегуляторных генов. Они определяют вторую фазу активации синтеза РНК и белков, что ведет к росту и/или изменению клеточных связей в мозге.

«Ранние гены» впервые были обнаружены при изучении влияния фактора роста на нейроны в культуре ткани. По своим свойствам они напоминали «непосредственно ранние гены» бактериофагов и эукариотических ДНК вирусов. Поэтому по аналогии с вирусными генами эти быстро активирующиеся клеточные гены были названы «генами первичного ответа», «генами раннего ответа», «генами компетентности». Одним из первых ранних генов, который был идентифицирован и клонирован, стал ген c-fos. Предполагается, что он контролирует клеточный рост и пролиферацию. К настоящему времени клонировано уже около 100 ранних генов. Продукты большинства ранних генов представляют собой регуля-торные белки. Ранние гены контролируют транскрипцию поздних генов, являющихся для них мишенями. Они влияют на регулятор-ные элементы поздних генов в их промоторных областях, которые служат рецепторами для продуктов ранних генов.

Механизм долговременной памяти с учетом двухкаскадной реакции экспрессии генов представлен на рис. 36. Показаны волны экспрессии ранних генов (РГ) и поздних генов (ПГ). ДП формируется после экспрессии поздних генов.

В ряде раббт специально проверялась связь первой волны активации синтеза РНК и белков с экспрессией ранних генов. Индукция ранних генов (c-fos, c-jun), контролируемая с помощью введения радиоактивных предшественников РНК, была обнаружена в неокортексе мышей через 15 мин уже после одного опыта с обучением пассивному избеганию. Сходный эффект был зафиксирован через 30 мин после сеанса обучения крыс активному избеганию электрического тока (запрыгиванием на полочку): синтез мРНК возрастал вследствие индукции раннего гена c-fos, но не с-тус. Изменение наблюдали в коре, гиппокампе и мозжечке (Анохин К.В., 1997).

Экспрессия ранних генов возникает на ранней стадии обучения и с автоматизацией навыка исчезает (Анохин К.В., 1997). Чем труднее идет обучение, тем сильнее выражена их экспрессия. Хуже

155

0246

Обучение

Ранние гены

12 Время (часы)

Поздние гены

Рис. 36. Две волны экспрессии генов, определяющих появление долговременной памяти (ДП).

Экспрессии ранних (РГ) и поздних (ПГ) генов. На абсциссе — время после обучения; на ординате — эффективность процессов, определяющих долговременную память (по К.В. Анохину, 1997).

обучающиеся мыши (неуспешная группа) отличались в 1,8 раза большей экспрессией гена c-fos по сравнению с успешной группой. Экспрессия ранних генов c-fos и c-jun стимулировалась не только ситуацией обучения, но и помещением животного в новую, сенсорно-обогащенную среду, а также отменой ожидаемого отрицательного подкрепления.

Удобным объектом для изучения механизмов памяти всегда был гиппокамп. На нем легко можно смоделировать процесс обучения, создавая в нем электрической стимуляцией эпилептический очаг активности. С помощью измерения синтеза РНК радиологическими методами было установлено, что эпилептическая активность увеличивает экспрессию ранних генов в пирамидных клетках гип-покампа и зубчатой фасции. Кроме того, в этих же структурах гип-покампа наблюдается экспрессия двух других генов. Один кодирует синтез протеинкиназы А, ответственной за фосфорилирование белков. Экспрессия другого гена вызывает синтез рецепторов NMDA, медиатором для которых служит глутамат. Известно, что через эти рецепторы в клетку входит особенно много ионов Са2+, поэтому они непосредственно участвуют в процессе обучения.

Сильное влияние на представление о молекулярных механизмах памяти оказали работы Э. Кэндела и его коллег (Goelet P. et al., 1986; Kandel E. et al., 1987). Его теория каскада молекулярных реакций при обучении предполагает три уровня памяти. Кратковремен-

156

ная память, которая длится от нескольких минут до нескольких часов, обусловлена ковалентной модификацией белков, не достигших состояния возбуждения. Промежуточная память, охватывающая несколько часов, обусловлена фосфорилированием белков. Долговременная память, длящаяся более чем один день, зависит уже от индукции новых генов через вторичных посредников и регуляторов транскрипции. Авторы предположили, что ранние эф-фекторные гены ответственны за синтез белков, которые сохраняют память в течение дней. Память, сохраняемая в течение недель и месяцев, поддерживается другими — поздними эффекторными генами, которые включаются ранними регуляторными генами.

На основе накопленных за последние годы сведений об экспрессии генов при обучении некоторые исследователи приходят к выводу о том, что память'использует тот же генетический аппарат, который связан с онтогенетическим развитием организма, с регуляцией роста и дифференциацией его клеток. Подчеркивается общность молекулярного каскада экспрессии генов при обучении и развитии. Оба процесса реагируют на изменения экстраклеточной среды. На стадии развития организма новые экстраклеточные сигналы ведут к инициации экспрессии генов, обеспечивающей клеточную дифференцировку и консолидацию генетически запрограммированных функциональных систем.

При обучении комбинация экстраклеточных сигналов вызывает реэкспрессию генов, бывших активными на стадии созревания и онтогенетического развития организма.

На рис. 37 показано сходство основных этапов процессов экспрессии генов при развитии и обучении. Экстраклеточные сигналы активируют вторичные мессенджеры, которые высвобождают каталитические субъединицы протеинкиназ. Протеинкиназа транспортируется в ядро клетки и там через транскрипционные факторы действует на ранние гены (c-fos и c-jun), вызывая их экспрессию. Последние кодируют транскрипционные факторы для поздних генов — белки: FOS и JUN. Эти белки и вызывают экспрессию поздних генов, которая определяет синтез различных структурных белков и молекул, необходимых для синаптического роста.

Рассмотренные клеточные и молекулярные механизмы обучения не касаются проблемы специфичности этого процесса. Однако при обучении синаптическое облегчение проведения сигнала возникает селективно, т.е. на отдельных синапсах. Для объяснения этого явления Т.Н. Греченко и Е.Н. Соколов (1987) предположили, что вся мембрана нейрона проецируется на геном. Продукты реакций отдельных локусов мембраны, вызванные экстраклеточным сигналом в виде белка-регулятора (БР), стимулируют экспрессию или

157

РАЗВИТИЕ

Трофические факторы

ОБУЧЕНИЕ

Внеклеточные сигналы

мессенджеры (Са. цАМФ, ДАГ)

Экспрессия «генов-мишеней» (N-GAM, GAP-43)

Консолидация

функционал ь-

ных систеи!

Модификация функциональных систем

Рис. 37. Общность молекулярных каскадов экспрессии генов, обеспечивающей долговременное хранение информации при обучении и развитии. В процессе развития новые экстраклеточные сигналы ведут к инициации экспрессии генов, определяющей клеточную дифференциацию и консолидацию генетически запрограммированных функциональных систем. При обучении новые комбинации экстраклеточных сигналов вызывают реэкс-прессию генов, бывших активными в развитии. Это приводит к модификации функциональных систем и ее сохранению в долговременной памяти (по К.В. Анохину, 1997).

репрессию генома. Это достигается тем, что БР транспортируется в ядро к генам с помощью специального транслокационного белка (ТЛБ), который содержит метку активированного участка мембраны. После экспрессии генов (гена, кодирующего белок соот-ветствущего рецептора, и гена, ответственного за белок-метку) и синтеза соответствующих белков с помощью мРНК белок вместе с ТЛБ транспортируется к тому участку мембраны, который был закодирован белком-меткой. Эта схема предполагает, что механизм

158

экспрессии генов используется избирательно для изменения проводимости через селективные синапсы.

Большие возможности для выяснения молекулярных механизмов памяти открывает изучение собственно модификаций генома, вызываемых обучением. Исследование изменений ДНК под влиянием обучения в значительной степени тормозилось общепринятым представлением о «неприкосновенности» ДНК и ее причастности только к хранению генетической (врожденной) информации. В течение многих лет в молекулярной генетике господствовала идея о постоянстве генома. Однако в процессе жизнедеятельности клетки молекулы ДНК не остаются неизменными: отдельные участки ДНК умножаются, выпадают, перемещаются и модифицируются. Изменилось представление молекулярных биологов и о процессах транскрипции и трансляции. Мнение о том, что считывание генетической информации с ДНК всегда идет только в одном направлении: ДНК—>РНК—>белок, подверглось критике.

В 70-х годах Д. Балтимор (Baltimor D.) и X. Темин и С. Мицута-ни (Temin H., Mizutani S.) одновременно в одном и том же журнале «Nature» опубликовали данные о существовании фермента — обратной транскриптазы (или ревертазы), который способствует синтезу ДНК на основе информации, содержащейся в РНК. Так было открыто явление обратной транскрипции— передача информации в обратном направлении, от РНК к ДНК.

Изучение активности процесса обратной транскрипции при выработке у крыс пищедобывательного двигательного рефлекса в зависимости от их способности к обучению показало, что у быстро обучающихся животных активность обратной транскрипции в гиппокампе, которая измерялась по РНК-зависимому синтезу ДНК, в два раза выше по сравнению с медленно обучающимися животными (Р.И. Салганик и др., 1981). Группы животных составлялись селекционным методом. В одной наследственно закреплялась способность к быстрому обучению, другая формировалась из «неспособных» крыс, медленно обучающихся животных.

Открытие обратной транскрипции (получение ДНК с копий РНК) позволяет предполагать,' что существует процесс интеграции новых ДНК в геном, что может обеспечивать усиленный синтез клеточных структур, необходимых для сохранения новых связей между нейронами.

Экспериментальные доказательства модификации генома при обучении получены Н.А. Тушмаловой и ее сотрудниками (1973, 1993). Возрастание функциональной активности генома при обучении оценивалось двумя методами: по степени метилирования ДНК мозга и избирательной индукции синтеза ДНК. Метилирова-

159

ние относится к обратимой модификации ДНК, т.е. не передаваемой по наследству. Изменение степени метилирования ДНК исследовалось у крыс под влиянием выработки трех групп условных рефлексов: пищевых, пищедобывательных (чтобы получить пищу, крыса нажимала на полочку-педаль) и оборонительных — при электрокожном подкреплении. Измерения производились в коре, гип-покампе и мозжечке. Контролем служили животные, получавшие условные и безусловные раздражители в случайном порядке, и животные, не участвующие в опытах с обучением. Исследователи обнаружили увеличение степени метилирования ДНК при выработке и угасании условных рефлексов. Максимальное увеличение метилирования соответствует ранним стадиям обучения, с закреплением условного рефлекса оно возвращается к исходному уровню. Сильнее оно представлено в гиппокампе, чем в коре, и в нейронах, чем в глии.

Повышение степени метилирования в процессе обучения свидетельствует об ускорении транскрипции, так как метилирование (присоединение метильных групп СН3) рассматривается как «метка» отрезков ДНК, с которых осуществляется транскрипция. Метилирование — один из молекулярных механизмов экспрессии генома.

Модификация генома под влиянием обучения была продемонстрирована также по показателю индукции синтеза ДНК. Синтез носил строго избирательный характер, он затрагивал главным образом последовательности ДНК, повторенные в геноме от 10 до 20 раз (ДНК умеренных или средних повторов) (Тушмалова Н.А., 1993; Ашапкин В.В. и др., 1983). Существует гипотеза, что на умеренных повторах ДНК идет активный синтез РНК и что повторы расположены перед геномом и являются сигналами, регулирующими транскрипцию. Н.А. Тушмалова предполагает, что избирательно индуцированный на определенных фрагментах синтез ДНК ответствен за активное накопление информации на ранней стадии обучения.

Анализ нуклеидного состава вновь синтезированной ДНК в неокортексе крысы, однако, показал, что индуцированная обучением ДНК существенно не отличается от суммарной. Поэтому индукция синтеза ДНК, наблюдаемая при обучении, по-видимому, связана с экспрессией генов, определяющих усиление процессов репарации ДНК. Продемонстрировано увеличение синтеза ДНК в коре головного мозга крысы под влиянием психотропного препарата (пирацетама), который применяется в клинике для лечения больных, страдающих нарушением памяти.

Недостаток многих гипотез о молекулярных механизмах памяти состоит в том, что авторы не учитывают наличие в клетках

160

эукариотов не одного, а многих типов ДНК. В ядре клетки имеется ядерная ДНК, включающая генетическую ДНК, сателлитная ДНК и ДНК ядерной оболочки. В платоплазме выделяют цитоплазмати-ческую (свободно плавающую) ДНК и ДНК клеточных органелл, среди них ДНК митохондрий (Тушмалова Н.А., 1990). Из всех типов ДНК наиболее изучена ядерная, генетическая ДНК.

По гипотезе Н.А. Тушмаловой, функция хранения генетической информации закреплена за стабильной (высокомолекулярной) ядерной ДНК. Кодирование же приобретенной информации выполняется лабильной (низкомолекулярной) сателлитной ДНК ядра, которую характеризует непрочная связь с белком. Кроме того, для сателлитной ДНК как кандидата на хранение приобретенной памяти характерно высокое содержание метилированных групп, число которых особенно возрастает с обучением.

В своей гипотезе о параллельном кодировании врожденной и приобретенной памяти на разных типах ДНК (стабильной и лабильной) Н.А. Тушмалова основывается на сходстве некоторых биохимических реакций в онто- и филогенезе; экспериментальных данных о химической гетерогенности ДНК; существовании обратной связи в триаде ДНК — РНК — белок (обратной транскрипции).

Успешность обучения во многом зависит от сохранности операций, совершаемых на клеточном уровне, которые кодируются в генетической ДНК. Генетические исследования на плодовой мушке Drosophila показали зависимость их обучения от синтеза адени-латциклазы. Обнаружены моногенные мутанты Drosophila, у которых нарушено обучение. Оно тестировалось по выработке условного оборонительного рефлекса избегания специфического запаха после его подкрепления ударом тока. У одного такого мутанта имелся дефектный ген — rutabaga, кодирующий аденилатциклазу, зависимую от комплекса кальция с калъмодулином. В результате такой мутации аденилатциклаза утратила способность активироваться комплексом кальция с кальмодулином. У Drosophila аденилатциклазой богаты особые отделы мозга (грибовидные тела), имеющие важное значение для некоторых типов ассоциативного обучения. У молодых мушек в грибовидном теле быстро растет число новых нейронов, что связывают с накоплением опыта в процессе обучения. Хирургическое разрушение грибовидного тела у древесных муравьев нарушает основы их «социального поведения». Другой мутант Drosophila — dunce («тупицы») обучается, но обладает поразительно короткой памятью в несколько десятков секунд. Оказалось, что мутация затронула у него фосфодиэстеразу, расщепляющую цАМФ, что приводило к увеличению содержания этого вещества. Видимо,

161

11-462

слишком большие и слишком малые концентрации цАМФ препятствуют закреплению следов памяти. У всех мутантов с нарушением ассоциативного обучения нарушен и процесс сенситизации. Очевидно, что существует большое сходство механизмов пластичности у Drosophila и у моллюска, они одинаково используют ней-ромедиатор, выполняющий модулирующую функцию, и фосфо-рилирование белков для получения более стойкого эффекта.

Способность мясной мухи и Drosophila к обучению наследуется, что доказывается опытами со скрещиванием. Для выведения особей, способных и неспособных к обучению, для скрещивания соответственно отбирали из быстро и медленно обучающихся. Отбор способных мух к выработке условного рефлекса на сладком подкреплении (втягивание хоботком сладкой воды) показал, что только к 24-му поколению прекращается рост кривой эффективности выработки условного рефлекса по мере выведения все более способных к обучению особей. В связи с тем что процесс роста эффективности обучения идет медленно — только к 24-му поколению, — говорят не об одном, а о многих генах, определяющих обучаемость. В то же время формирование пластичности по типу сенситизации у мясной мухи определяется одним геном. Кривая эффективности обучения выходит на плато уже через одно поколение.

Таким образом, успешность обучения зависит от сохранности набора генов, опосредующих обучение, а ген сенситизации — один из участников генетического пула, управляющего обучением.

Все биохимические и молекулярные преобразования, вызываемые обучением, в конечном счете ведут к синаптической реорганизации — увеличению размеров, количества активно работающих синапсов. Существуют две гипотезы относительно изменений синаптических контактов под влиянием обучения: функциональная и структурная. Согласно функциональной теории обучение не изменяет число синапсов. Оно остается постоянным, но при этом увеличивается отношение активных синапсов к пассивным. По структурной гипотезе обучение стимулирует образование новых контактов между нейронами, которые не берутся из резерва, а создаются заново.

Основные модификации, наблюдаемые в процессе обучения на клеточном уровне и ведущие к структурным преобразованиям контактов между нейронами, по результатам исследования С. Роу-за (1995) отражены на рис. 38. Изучая обучение у цыплят (избегание клевания горькой бусинки), он выделил несколько уровней преобразований в клетке, которые сохраняются в течение разных отрезков времени — на разных этапах жизни энграммы.

162

Глутамат

«Ретроградный» сигнал

c-fos

Поздние» гены .РНК

'»!•*' 3——Белок Гликопротеин

Фосфопротеин

Рецептор

i «Поздние» гены

Рис. 38. Основные молекулярные и структурные модификации нейрона, возникающие в процессе обучения.

Показан каскад биохимических реакций в синапсе и ядре в процессе формирования памяти (по С. Роузу, 1995).

В течение секунд и минут сохраняются изменения, вызываемые стимулом в NMDA-рецепторах, отвечающих на глутамат, а также в мускариновых рецепторах, чувствительных к АХ. Сохранение следового эффекта в течение минут или часов определяется действием киназ, которые фосфорилируют пресинаптические белки ионных каналов, а также последующей экспрессией ранних генов (c-fos, c-jun). Время сохранения памяти от 1 до 6 ч связывают с синтезом новых белков — глюкопротеинов в результате экспрес-

163

сии поздних генов. Глюкопротеины создают структурные изменения, встраиваясь в пресинаптические и постсинаптические участки мембран. Период 12—24 ч связан с образованием дополнительных шипиков, увеличением их диаметра и площади постсинапти-ческих уплотнений, которые выявляются с помощью электронного микроскопа. Постсинаптические уплотнения образованы плотно пригнанными рецепторами.

Глава 7 ЭМОЦИИ

7.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭМОЦИЙ

Обычно эмоцию определяют как особый вид психических процессов, которые выражают переживание человеком его отношения к окружающему миру и самому себе. Особенность эмоций состоит в том, что они в зависимости от потребностей субъекта непосредственно оценивают значимость действующих на индивид объектов и ситуаций. Эмоции выполняют функции связи между действительностью и потребностями.

Однако, как отмечает П.В. Симонов (1997), несмотря на успехи, достигнутые в изучении мозговых механизмов психических процессов, в настоящее время не существует единой общепринятой научной теории эмоций. Нет также точных данных о том, в каких центрах и каким образом эти эмоции возникают и каков их нервный субстрат.

По классификации эмоциональных явлений А.Н. Леонтьева выделяется три вида эмоциональных процессов: аффекты, собственно эмоции и чувства.

Аффекты — это сильные и относительно кратковременные эмоциональные переживания, сопровождающиеся резко выраженными двигательными и висцеральными проявлениями. У человека аффекты вызываются как биологически значимыми факторами, затрагивающими его физическое существование, так и социальными, например мнением руководителя, его отрицательной оценкой, принятыми санкциями. Отличительной особенностью аффектов является то, что они возникают в ответ на уже фактически наступившую ситуацию.

Собственно эмоции в отличие от аффектов представляют собой более длительно текущее состояние, иногда лишь слабо проявля-

164

ющееся во внешнем поведении. Они выражают оценочное личностное отношение к складывающейся или возможной ситуации, поэтому способны в отличие от аффектов предвосхищать ситуации и события, которые реально еще не наступили. Собственно эмоции возникают на основе представлений о пережитых или воображаемых ситуациях.

Третий вид эмоциональных процессов — это так называемые предметные чувства. Они возникают как специфическое обобщение эмоций и связаны с представлением или идеей о некотором объекте, конкретном или отвлеченном (например, чувство любви к человеку, к родине, чувство ненависти к врагу и т.д.). Предметные чувства выражают устойчивые эмоциональные отношения.

По П.В. Симонову (1981), чувства — это эмоции, которые возникают на базе социальных и духовных потребностей. Учитывая роль вероятности удовлетворения потребности в происхождении эмоций, он рассматривает тревогу как реакцию на низкую вероятность избегания нежелательного воздействия. В отличие от тревоги фрустрация — это реакция на низкую вероятность достижения желаемой цели.

Особое место среди эмоциональных явлений занимают так называемые общие ощущения. Так, П. Милнер считает, что, хотя и принято отличать эмоции (гнев, страх, радость и т.п.) от так называемых общих ощущений (голод, жажда и т.д.), тем не менее в них обнаруживается много общего и их разделение достаточно условно. Одна из причин, по которой их различают, — разная степень связи субъективных переживаний с возбуждением рецепторов. Так, переживание жары, боли субъективно связывается с возбуждением определенных рецепторов (температурных, болевых). На этом основании подобные состояния обычно и обозначают как ощущения. Состояние же страха, гнева трудно связать с возбуждением каких-либо рецепторных поверхностей, поэтому их относят к эмоциям. Другая причина, по которой эмоции противопоставляются общим ощущениям, состоит в нерегулярном их появлении. Эмоции часто возникают спонтанно и зависят от случайных внешних факторов, тогда как голод, жажда, половое влечение следуют с определенными интервалами.

В настоящее время внимание исследователей привлекает еще одна категория эмоциональных явлений — настроение. Что такое настроение? У настроения нет специфического целевого объекта, как у эмоций, так же как и каких-либо специфических реакций. Следовательно, оно менее специфично, чем эмоция. К тому же субъективные переживания, связанные с настроением, по сравнению с эмоциями менее интенсивны.

165

Исследователи, ориентированные на когнитивную теорию эмоций, понимают настроение как некоторое состояние чувствования, возникающее в результате автоматически протекающих когнитивных процессов, о которых мы не осведомлены. Поэтому мы часто не осознаем, что находимся под впечатлением определенного настроения. Таким образом, настроение действует как контекст, подспудно трансформируя наши реакции на события.

По определению А.Изена (Isen А.), настроение— это течение или поток гедонически ориентированных идей, мыслей и образов, извлекаемых из памяти. Их объединяет общий гедонический тон (положительный или отрицательный).

К. Прибрам (Pribram К.) подчеркивает оценочную функцию настроения, рассматривая его как некий мониторинг окружающих жизненных обстоятельств. Функция настроения — информировать об общем состоянии и потребностях индивида. Настроение стимулирует субъекта к поведению, которое улучшило бы его гедонический тон. Поэтому одна из функций настроения — это его способность к саморегуляции.

Многочисленные экспериментальные данные говорят о том, что настроение — результат действия как реальных, так и воображаемых событий или информации, извлекаемой из эмоциональной памяти. Клинические исследования указывают на ключевую роль гормональных и биохимических факторов в генезе настроения.

Когда настроение достигает некоторого порога, оно привлекает внимание. Попав в фокус внимания, оно становится осознанным и может быть объяснено, включая его причины. Это может послужить толчком к трансформации настроения в эмоцию. Настроение, как осознаваемое, так и неосознанное, влияет на аффективные и когнитивные процессы, а также на поведение. Более сильное влияние оказывает осознанное настроение. При этом интенсивность аффекта зависит от уровня внимания, которое будет уделено настроению.

Одно и то же явление одновременно может вызывать как эмоцию, так и настроение, которые могут сосуществовать, влияя друг на друга. Если какая-либо эмоциональная реакция развивается во времени стремительно, то созданное ею настроение может сохраняться часами, днями и неделями.

Действия человека небеспристрастны. Поэтому эмоция как субъективное переживание присутствует в составе каждой деятельности, каждого рефлекса (Соколов Е.Н., Данилова Н.Н., 1975). В структуре поведения, как в функциональной системе, эмоции принадлежит ключевая роль. Выделяют ведущие и ситуативные эмоции (Вилюнас В.К., 1986). Они связаны с разными фазами поведе-

166

ния. Ведущие эмоции сигнализируют человеку о неудовлетворенности его потребностей и побуждают к поиску целевого объекта, стимулируя определенное поведение. Побудительной силой обладает и эмоциональная память об успешных действиях в прошлом, направленных на удовлетворение аналогичной потребности. Положительные эмоции, связанные с удовлетворением потребностей, включаются в акцептор результатов действия. С их помощью цель и средства удовлетворения потребности конкретизируются (Судаков К.В., 1997). В структуре поведенческого акта формирование акцептора результатов действия (цели) и эфферентного синтеза (предполагаемых способов действия) опосредовано содержанием ведущих эмоций. Ситуативные эмоции, возникающие в результате оценок отдельных этапов или поведения в целом, побуждают субъекта действовать либо в прежнем направлении, либо менять поведение, его тактику, способы достижения цели.

7.2. ФУНКЦИИ ЭМОЦИЙ

Исследователи, отвечая на вопрос о том, какую роль играют эмоции в жизнедеятельности живых существ, выделяют несколько регуляторных функций эмоций: отражательную (оценочную), побуждающую, подкрепляющую, переключательную, коммуникативную.

Отражательная функция эмоций выражается в обобщенной оценке событий. Эмоции охватывают весь организм и представляют почти мгновенную и интегральную оценку поведения в целом, что позволяет определить полезность и вредность воздействующих на человека факторов еще до того, как будет определена локализация вредного воздействия. Примером может служить поведение человека, получившего травму конечности. Ориентируясь на боль, он немедленно находит такое положение, которое уменьшает болевые ощущения.

Эмоция как особое внутреннее состояние и субъективное переживание выполняет функцию оценки обстоятельств ситуации на основе возникшей потребности и интуитивного представления о возможностях ее удовлетворения. Эмоциональная оценка отличается от осознанных когнитивных оценочных операций ума, она выполняется на чувственном уровне. В самом деле, мы никогда не оцениваем истинную пищевую потребность в количестве белков, жиров, углеводов, витаминов, солей и т.д. Возникновения чувства голода уже достаточно.

Оценочная, или отражательная, функция эмоции непосредственно связана с ее побуждающей функцией. Согласно Оксфорд-167

скому словарю английского языка, слово «эмоция» произошло от французского глагола «mouvoir», означающего «приводить в движение». Его начали употреблять в XVII в., говоря о чувствах (радость, желание, боль и т.д.) в отличие от мыслей. С.Л. Рубинштейн отмечал, что эмоция уже в себе самой заключает влечение, желание, стремление, направленное к предмету или от него. Эмоция выявляет зону поиска, где будет найдено решение задачи, удовлетворение потребности. Эмоциональное переживание содержит образ предмета удовлетворения потребности и свое пристрастное отношение к нему, что и побуждает человека к действию. Два класса эмоций — ведущие и ситуативные, или производные (Вилюнас В.К., 1986), — несут функцию побуждения. Ведущее эмоциональное переживание, направленное на предмет — цель поведения, удовлетворяющего потребность, инициирует само адаптивное поведение. Ситуативные эмоциональные переживания, возникающие в результате оценок результатов отдельных этапов поведения, также побуждают субъект действовать в прежнем направлении или менять тактику поведения и само поведение, средства достижения цели.

Анализируя ситуативные эмоции у человека, В.К. Вилюнас (1986) выделяет класс эмоций успеха—неуспеха с тремя подгруппами: 1) констатируемый успех—неуспех; 2) предвосхищающий успех—неуспех; 3) обобщенный успех—неуспех. Эмоции, констатирующие успех—неуспех, отвечают за смену проб в поведении, обобщенная эмоция успеха—неуспеха возникает в результате оценки деятельности в целом. Предвосхищающие эмоции успеха—неуспеха формируются на основе констатирующих в результате ассоциации их с деталями ситуации. При повторном столкновении с ситуацией эти эмоции позволяют предвосхищать, предвидеть события и побуждают субъекта действовать в определенном направлении.

Предвосхищающие эмоции успешно изучались в составе мыслительной деятельности при решении творческих задач (шахматных). Эмоции предвосхищения связаны с появлением переживания догадки, идеи решения, которая еще не вербализована.

П.В. Симонов (1987) выделяет у эмоций подкрепляющую функцию. Известно, что эмоции принимают самое непосредственное участие в процессах обучения и памяти. Значимые события, вызывающие эмоциональные реакции, быстрее и надолго запечатлеваются в памяти. Так, у сытой кошки нельзя выработать условные пищевые рефлексы. Для успешного обучения необходимо наличие мотивационного возбуждения, в данном случае отражающегося в чувстве голода. Однако соединения индифферентного раздражителя с голодовым возбуждением еще недостаточно для выработки условных пищевых рефлексов. Требуется третий компонент — воз-

168

действие фактора, способного удовлетворить существующую потребность, т.е. пищи. В опытах Т.Н. Ониани, который сочетал внешний стимул с электрическим раздражением лимбических структур мозга, вызывающим у сытой кошки потребность в еде, удалось выработать только условную реакцию избегания и страха. А условные пищедобывательные рефлексы не формировались. Главная причина в том, что электрическая стимуляция лимбической структуры, использованная в качестве подкрепления, не содержала награды — удовлетворения потребности.

Не удается также выработать условнорефлекторный поиск пищи, если сочетать индифферентные обстановочные сигналы с состоянием, вызываемым пищевой депривацией. У такого животного на обстановку эксперимента вырабатывается не поисковое пищевое поведение, а реакция страха и избегания, т.е. индифферентный стимул связывается с реакцией избегания, которой животное реагирует на ситуацию длительного голодания, так как эта реакция уменьшает страх.

Таким образом, реальным подкреплением для выработки условного рефлекса (классического и инструментального) является награда. Наградой голодному животному может быть пища. Само болевое раздражение не является наградой, ее дает лишь освобождение, избегание наказания. Получение награды ассоциируется с возникновением положительных эмоций. Поэтому «только интеграция голодового возбуждения с возбуждением от фактора, способного удовлетворить данную потребность, т.е. механизм, генерирующий положительную эмоцию, обеспечивает выработку условного рефлекса» (Симонов П.В., 1987. С. 79).

Подкрепляющая функция эмоций наиболее успешно была исследована на экспериментальной модели «эмоционального резонанса», предложенной П.В. Симоновым. Было обнаружено, что эмоциональные состояния животных, подвергнутых воздействию электрокожного раздражения, влияют на эмоциональные реакции других животных. Эта модель воспроизводит типичную для социальных взаимоотношений ситуацию распространения отрицательных эмоциональных состояний в сообществе и позволяет изучать функции эмоций в наиболее чистом виде без непосредственного действия болевых раздражителей. В опытах Л.А. Преображенской, в которых собака-жертва подвергалась наказанию электрическим током на глазах у собаки-наблюдателя, у последней возрастала частота сердцебиения и увеличивалась синхронизация гиппокам-пального тета-ритма. Эти реакции указывают на появление у животного состояния негативного эмоционального напряжения. В таких условиях собака-наблюдатель способна выработать избегатель-

169

ный инструментальный рефлекс (в виде подъема лапы), прекращающий подачу тока собаке-жертве. При этом у нее снижается ЧСС и устраняется гиппокампальный тета-ритм, что означает исчезновение отрицательного эмоционального состояния. Следовательно, наградой, на которой и вырабатывается данная инструментальная реакция, является избавление от отрицательного эмоционального напряжения.

Переключательная функция эмоций состоит в том, что они часто побуждают человека к изменению своего поведения.

В естественных условиях поведение человека и животных определяется многими потребностями разного уровня. Их взаимодействие выражается в конкуренции мотивов, которые проявляются в эмоциональных переживаниях. Оценки через эмоциональные переживания обладают побуждающей силой и могут определять выбор поведения. Как было показано ранее на примере интеллектуальных эмоций, «эмоциональное предчувствие решения задачи» побуждает к завершению действий в выбранной зоне поиска, а «предчувствие противоречия» — к изменению этой зоны. По существу, эмоции успеха—неуспеха обладают способностью побуждать человека к переключению от одних действий к другим.

Переключательная функция эмоций наиболее ярко обнаруживается в экстремальных ситуациях, когда возникает борьба между естественным для человека инстинктом самосохранения и социальной потребностью следовать определенной этической норме. Конфликт потребностей переживается в форме борьбы между страхом и чувством долга, страхом и стыдом. Исход зависит от силы побуждений, от личностных установок субъекта.

Важной функцией эмоций является коммуникативная функция. Мимика, жесты, позы, выразительные вздохи, изменение интонации являются «языком человеческих чувств» и позволяют человеку передавать свои переживания другим людям, информировать их о своем отношении к явлениям, объектам и т.д.

Большую роль в изучении экспрессивных движений сыграла опубликованная в 1872 г. работа Ч. Дарвина «Выражение эмоций у человека и животного». Сравнивая проявление эмоций у человека и у домашних животных, он пришел к заключению, что движения мышц, при помощи которых человек выражает свои эмоции (радость и печаль, гнев и страх, интерес и отвращение, стыд и презрение), произошли от аналогичных двигательных актов наших предков. Согласно Ч. Дарвину полярные эмоции выражаются противоположными движениями.

Современные исследователи согласны с Ч. Дарвином в том, что экспрессивные движения и особенно мимика выполняют важ-170

ную адаптивную функцию. В ходе эволюции мимические сигналы развились в систему, позволяющую передавать информацию о состоянии и «намерениях» индивида. Так, выражение испуга сигнализирует об опасности и о намерении индивида спасаться бегством, тогда как эмоция гнева воспринимается как выражение намерения вступить в борьбу. С помощью «языка чувств» регулируются социальные отношения у животных. Например, сигналы угрозы, исходящие от вожака, повышают бдительность или вызывают поведение «подчинения» у других особей.

Существуют генетически заданные универсальные комплексы поведенческих реакций, с помощью которых выражаются основные фундаментальные эмоции.

7.3. ЧТО ВЫЗЫВАЕТ ЭМОЦИИ?

7.3.1. Когнитивные процессы в геиезе эмоций

С развитием когнитивной психологии многие современные теории фокусируют внимание на когнитивных процессах как основном механизме появления эмоций. Существенное влияние на развитие когнитивной теории эмоций оказали опыты С. Шехтера (Shachter S., 1964). В них впервые было продемонстрировано, что увеличение активации организма, хотя и является необходимым условием развития эмоции, определяет лишь интенсивность эмоции, тогда как ее специфика зависит от ситуации, осознания ее смысла и значения.

Теория когнитивной активации С. Шехтера основана на исследованиях, в которых с помощью фармакологических веществ манипулировали состоянием испытуемых, поднимая их возбуждение, о чем они и не догадывались. Затем экспериментаторы создавали обстановку непринужденного веселья или, наоборот, напряженности. В первом случае люди чувствовали себя счастливыми и раскованными, во втором — их охватывало чувство гнева. Таким образом было показано, что содержанием эмоции, ее качеством можно управлять, если побудить испытуемого приписывать тем или другим нейтральным стимулам либо обстоятельствам роль источника своего возбуждения. По мнению С. Шехтера, эмоциональные состояния — продукт взаимодействия двух факторов: активации (arousal) и заключения субъекта о причинах его возбуждения. Для эмоции необходимы два компонента: активация организма (как неспецифическая эмоциональность) и осознание ее наличия и причин появления на основе анализа ситуации, в которой она проявилась.

171

Последующая эмпирическая проверка теории С. Шехтера пошла по пути повторения его экспериментов с манипулированием уровня активации различными веществами и помещением субъекта в ситуации с разным контекстом. На выяснение роли когнитивных процессов в возникновении эмоций были направлены и другие опыты, в которых проверялась возможность ослабления возникших естественным путем отрицательных переживаний (страх, тревога), если приписать их причину нейтральным стимулам, например постоянно действующему шуму. Положительный результат доказывал бы решающую роль когнитивных процессов (интерпретации, заключения и т.п.) в модуляции эмоциональных переживаний. Однако результаты оказались противоречивыми. Не во всех случаях приписывание причины эмоционального состояния нейтральному фактору приводило к снижению интенсивности переживаний.

Этот прием не действовал в отношении лиц с высокой личностной тревожностью, а также находящихся в состоянии стресса. Попытка применить данный метод в клинической практике также не дала положительных результатов. Не удалось снизить ни тревожность, ни другие негативные эмоциональные состояния. Предполагают, что причина этих неудач — сильная сконцентрированность внимания больных на истинных причинах их болезненного состояния.

Возможно, что эти данные не отрицают теории С. Шехтера, согласно которой для получения эффекта приписывания причин возбуждения нейтральным стимулам необходимо, чтобы субъект находился в состоянии неопределенности по отношению источника активации и чтобы у него имелась возможность информационного поиска ее причин. Результаты действительно показывают, что феномен приписывания может возникать только в новых условиях и при среднем уровне негативных аффектов (Leventhal H., Tomarken A., 1986).

Однако возможно и альтернативное объяснение влияния факта приписывания: ослабление негативных эмоций может быть связано с уменьшением неопределенности из-за получения более точной информации о симптомах активации и ее причинах (Calvert-Boyanowsky Y., Leventhal H., 1975). Такая интерпретация хорошо согласуется с потребностно-информационной теорией эмоций П.В. Симонова, связывающей появление отрицательных эмоций с дефицитом имеющейся информации о способах и средствах удовлетворения актуальной потребности, что определяет низкую вероятность достижения цели. За счет дополнительной информации у субъекта возрастает вероятность удовлетворения потребности, что усиливает положительные эмоции и минимизирует отрицательные. 172

Суммируя, можно сказать, что когнитивный механизм генерации и изменения эмоций для своего проявления требует определенных условий. Его действия легче обнаружить в новой ситуации и при среднем уровне активации нервной системы. Повышенная личностная тревожность и патологически доминирующие отрицательные эмоции блокируют действие этого механизма.

Многие исследователи, несмотря на неубедительность экспериментальных данных, продолжают преувеличивать значение когнитивного механизма в возникновении эмоций. Известный теоретик эмоций Р. Лазарус продолжает придерживаться мнения, что «когнитивное опосредование — необходимое условие для эмоций» (Lazarus R. S., 1991. Р. 356). Он полагает, что даже эмоции, вызванные фармакологическими веществами или целиком зависящие от подкорковых структур мозга, опосредованы когнитивными операциями. С его точки зрения, самый простой акт восприятия может осмысливаться, сопровождаться когнитивной оценкой, которая и генерирует эмоцию.

В другом варианте когнитивной теории эмоций (Ortony A. et al., 1988) эмоция рассматривается как функция контекста, создаваемого субъектом. Авторы теории подчеркивают, что только язык и самоотчет (вербальный фактор) имеют отношение к механизму генерации эмоциональных переживаний. При этом поведенческие и физиологические проявления эмоций рассматриваются как сопровождение или следствие эмоциональных состояний. С точки зрения когнитивно ориентированных исследователей, нейрофи-зиологический механизм, имеющий отношение к эмоциям, способен обеспечивать не эмоции, а лишь условия для них (Frijda N.H., 1986). Хотя-и не все исследователи придерживаются такой крайней точки зрения о первичности когнитивных процессов в эмоциональных явлениях, тем не менее многие специалисты в области эмоций в своих работах концентрируются на когнитивных механизмах.

Вместе с тем если не сводить все процессы обработки информации к когнитивным, понимая под ними осознанный уровень анализа, приводящий к заключению, а разделять их на автоматические и контролируемые, связывая с актом осознания лишь последние, то некоторые информационные процессы, порождающие эмоции, по своей природе могут быть и некогнитивными (Izard С., 1993).

Между когнитивными и эмоциональными процессами существуют не только прямые, но и обратные отношения. Когнитивная деятельность может быть не только источником эмоций, но и сама зависеть от эмоционального состояния субъекта. Эмоции влияют на селективность нашего внимания к сенсорным сигналам, на эффективность и стратегию исполнительной деятельности. Зависи-

173

мость когнитивных процессов от эмоций нашла отражение в мнении о том, что в радости мы видим мир через розовые очки, а в страхе смотрим на него через суженный канал зрения. Тесные связи между аффективными и когнитивными процессами выражаются и в том, что чувственное переживание служит маркером для считывания информации о событиях из памяти, где она хранится вместе с эмоциональным переживанием, сопровождавшим данное событие в момент его возникновения.

7.3.2. Биологически и социально значимые стимулы как источник эмоций

Способность когнитивных процессов вызывать эмоции существенно возрастает, когда они касаются значимых для индивида событий, т.е. тех, которые являются предметом желаний или, наоборот, представляют опасность. Иными словами, сами когнитивные процессы стимулируются аффектом, создаваемым биологически или социально значимыми воздействиями (или их отсутствием), и только вторично они вносят свой дополнительный вклад в развитие и содержание эмоций, часто радикально изменяя их.

Существует большой круг эмоциональных явлений, возникающих в составе безусловных рефлексов. Биологически значимые стимулы являются источником различных эмоциональных переживаний. Это отчетливо демонстрируют реакции новорожденных. Ощущение сладости сопровождается выражением интереса. Попадание в рот чего-либо горького вызывает реакцию отвращения. Другим простым примером эмоции в составе безусловного рефлекса является переживание боли. В исследованиях на животных показано, что между аверсивной стимуляцией (в частности, болевой), гневом и агрессией существуют внутренние связи. Когда животные содержатся вместе и подвергаются наказанию, они часто начинают драться. И. Беркович (Berkowitz I., 1990) исследовал отношения боль—гнев—агрессия у человека, использовав воздействие холодной воды, высокой температуры и противных запахов. Он подтвердил, что боль, а также неприятная стимуляция могут быть достаточной причиной, чтобы вызвать эмоцию гнева и агрессии.

Многие эмоции не требуют участия коры и осознанных процессов обработки информации. Дж. ЛеДокс (LeDoux J.E., 1989) исследовал подкорковый путь для условнорефлекторной реакции страха у крыс с удаленной зрительной и слуховой корой. Он показал, что реакция страха может реализоваться с помощью подкорковых структур таламуса и миндалины.

174

Отношения эмоциональных и когнитивных процессов можно описать следующим образом. Мы сначала чувствуем, а только затем узнаем и понимаем то, что мы переживаем. Чувство в определенном смысле определяет то, что мы знаем, так как оно задает направление, в котором развивается мыслительная деятельность. При этом сами когнитивные, оценочные операции, которые влияют на эмоции, реализуются в мозге, который уже эмоционален и не является аффективно-нейтральным. По существу, чисто когнитивной детерминанты эмоций вообще не существует. Эмоция на значимый стимул — это единство аффективно-когнитивных процессов.

7.3.3. Потребностно-информационные факторы возникновения эмоций

К некогнитивным факторам, вызывающим эмоции, П.В. Симонов относит потребность и оценку возможности (вероятности) ее удовлетворения, которую субъект совершает непроизвольно и часто неосознанно.

Им разработана потребностно-информационная теория эмоций, согласно которой правило возникновения эмоций выражается в следующей структурной формуле:

Э = [П, (Ин - Ис), ...],

где Э — эмоция, ее степень, качество и знак; П — сила и качество актуальной потребности; (Ин — Ис) — оценка вероятности удовлетворения потребности на основе врожденного и онтогенетического опыта; Ин — информация о средствах и времени, прагматически необходимых для удовлетворения потребности; Ис — информация о существующих средствах и времени, которыми реально располагает субъект в данной ситуации.

Согласно информационной теории эмоций положительные эмоции возникают в ситуации избытка прагматической информации по сравнению с ранее существующим прогнозом (при «мгновенном срезе») или в ситуации возрастания вероятности достижения цели (если генез эмоций рассматривать в его динамике). Отрицательные эмоции представляют реакцию на дефицит информации или на падение вероятности достижения цели в процессе деятельности субъекта. Многообразие эмоций согласно концепции определяется многообразием потребностей. Эмоций столько сколько потребностей. У человека витальные потребности (голод, жажда и др.) дополнены социальными и идеальными потребностями. Среди последних выделяют идеологические потребности — производные от социальных и идеальных. Объединение витальных с соци-

175

,з;.:ссохранение (отрицательные эмоции)

Саморазвитие (положительные эмоции)

i I

ВИТАЛЬНЫЕ ->) Этнические]*- СОЦИАЛЬНЫЕ [—>] Идеологически! <-|ИДЕАЛЬНЫЕ|

?

Родительские «Для себя» (поава)

Витальные инстинкты (голод, жажда и т.п.)

Потребность преодоления (воля)

I «рефлекс свободы»

Исследовательский инстинкт

Рис. 39. Классификация основных потребностей человека (по П.В. Симонову, 1997).

альными потребностями создает этнические потребности, которые также могут быть источником эмоций. Социальные потребности вместе с потребностью для других формируют духовные потребности (совесть). Классификация потребностей по П.В. Симонову показана на рис. 39.

В 1984 г. американские исследователи Д. Прайс и Дж. Баррелл (Price D., Barrell Y., 1984) провели психологические исследования с целью проверки потребностно-информационной теории эмоций. Для этого они предложили испытуемым мысленно представить событие, которое у них было связано с эмоциональными переживаниями. Затем на специальных шкалах испытуемый отмечал силу эмоционального переживания, предполагаемую вероятность достижения цели и силу желания разрешить проблему, которая вызвала эмоции. Количественная обработка полученных данных подтвердила зависимость трех переменных: эмоции, силы потребности и вероятности ее удовлетворения. Исследователи назвали эту зависимость общим законом человеческих эмоций.

В 1988 г. канадский психолог Ж. Годфруа (1992) воспроизвел зависимость эмоции от количества информации, выразив это следующим образом: «Эмоция = Необходимая информация - Имеющаяся информация» (С. 259) .

176

П.В. Симонов полагает, что функция прогнозирования вероятности удовлетворения потребности (вероятности подкрепления) поделена между двумя информационными структурами мозга — фронтальными отделами новой коры и гиппокампом. Фронтальная кора ориентирует поведение на высоковероятные события в отличие от гиппокампа, реагирующего на сигналы маловероятных событий. Известно, что чем выше у интактного животного вероятность подкрепления, тем быстрее вырабатывается условный рефлекс. После разрушения фронтальной коры формирование пищевого условного рефлекса при низкой вероятности подкрепления заметно ускоряется по сравнению с интактным животным. Этот результат объясняют тем, что после разрушения одного из двух блоков информационной системы, состоящей из фронтальной коры и гиппокампа, мозг перестает дифференцировать высоко- и низковероятные события. Поэтому сигналы, подкрепляемые с разной вероятностью, становятся одинаково эффективными.

Гиппокамп выделяет низковероятные события, обеспечивает выработку условного рефлекса на низковероятном подкреплении условного сигнала. Крысы после удаления гиппокампа неспособны вырабатывать условные рефлексы при низковероятном подкреплении (в 25 и 30% случаев). Хотя при подкреплении пищей в 100 и 50% случаев гиппокампэктомированные крысы и отстают от интактных, но все же с задачей справляются. Следует сказать, что необходимость различать высокую и низкую вероятность подкрепления всегда является трудной задачей даже для интактного животного и требует много времени.

Для проверки функции гиппокампа, состоящей в выделении низковероятных событий, исследователи использовали экспериментальную модель Э.А. Асратяна в виде выработки условнореф-лекторного переключения разнородных условных рефлексов, когда один и тот же сигнал (звук) утром подкреплялся пищей с высокой вероятностью и болевым раздражителем с малой вероятностью, а вечером отношения менялись на противоположные. В течение 10 дней интактная крыса безуспешно пыталась выработать ус-ловнорефлекторное переключение. Однако после двустороннего удаления гиппокампа у нее сформировалось устойчивое условно-рефлекторное переключение и она реагировала на один и тот же стимул утром пищевым, а вечером оборонительным рефлексом в соответствии с тем, какое подкрепление наиболее часто применялось. Хирургическая операция не только облегчала выработку рефлексов, но и устраняла признаки эмоционального напряжения (по показателю частоты сердечных сокращений), которое обычно наблюдается в таких опытах. Результаты этих исследований объясня-

177

12-462

ют тем, что оперированные животные не измеряют (игнорируют) низковероятные события (подкрепление), что упрощает их задачу. Крысы ориентируются лишь на высоковероятное подкрепление пищей утром и высоковероятное наказание вечером.