WWW.EL.Z-PDF.RU
БИБЛИОТЕКА  БЕСПЛАТНЫХ  МАТЕРИАЛОВ - Онлайн документы
 

Pages:   || 2 | 3 |

«Греченко Т.Н. ПСИХОФИЗИОЛОГИЯ ДЛЯ НАЧИНАЮЩИХ Москва 2013 Предисловие В современной жизни работа психолога становится необходимой в самых разных сферах – в ...»

-- [ Страница 1 ] --

Высшая школа психологии

(Институт)

Греченко Т.Н.

ПСИХОФИЗИОЛОГИЯ

ДЛЯ

НАЧИНАЮЩИХ

Москва

2013

Предисловие

В современной жизни работа психолога становится необходимой в самых разных сферах – в детском саду и школе для воспитания и обучения детей, при отборе кадров для организации и налаживания высокоэффективного производства, для создания рекламы и множестве других. Участие психологов имеет решающее значение при лечении и реабилитации людей, испытавших ужас войны, для работы с людьми, пристрастившимися к алкоголю и наркотикам. Фактически любая жизненная ситуация - будь то конфликт в семье или плохая успеваемость подростка в школе - требует участия психолога. Сложность современной жизни и проблем, решаемых психологами, требует от них глубокого анализа ситуации, понимания мотивов и целей поступка, личностных особенностей человека, который его совершил. Психология – исключительно разноплановая наука, инструментарий современного психолога составляют и математические методы анализа, и знания, накопленные естественными науками. Казалось бы – какое отношение имеет физика или биология к разработке новых методов обучения детей? Однако знакомство с явлениями, развивающимися в мозге при обучении, показывает, что основу деятельности нервной системы составляют биологические механизмы. Работа биологических механизмов определяется физико-химическими процессами, происхоящими в нервных клетках. Поэтому и оказывается, что физика, химия и биология имеют самое прямое отношение к психологии обучения и памяти. Изучением биологическх основ психических явлений занимается психофизиология.

Психофизиология – междисциплинарная область знаний, которая по причине особого места среди других наук испытывает определеные сложности, но имеет и преимущества. Сложности связаны с быстрым обновлением данных, на которых базируются основные представления о работе мозга, а преимущества определяются тем, что ее “местоположение” заставляет быстро обновлять и дополнять эти представления, создавая адекватную уровню развития естественных наук биологическую базу для понимания психики.

Несмотря на такую динамичность, в психофизиологии есть постоянные знания, азы науки, которые необходимо усвоить каждому современному психологу. Это основные сведения о биофизической и биохимической основе работы нервных клеток, об электрических процессах, которые в них происходят, видах электрической активности мозга и ее значении для явлений памяти, регуляции функциональных состояний, эмоций, создания образов внешнего мира, речи, мышления – всего, что составляет мир психических явлений.

В учебнике кратко и доступно представлены основные сведения о работе нервных клеток. На примерах обучения и памяти, восприятия времени, формирования зрительных образов, проблемы алкоголизма и наркомании показано, как на основе этих знаний раскрываются механизмы явлений психики. Базовые представления о принципах действия основных механизмов в дальнейшем помогут увеличивать объем знаний в интересующей психолога области.

ОСНОВЫ НЕЙРОФИЗИОЛОГИИ

Нервная система обеспечивает быструю связь между внешним миром и живым существом, а также между отдельными частями тела. Она получает информацию извне и изнутри, обрабатывает ее, запускает сложные поведенческие программы. Она способна обучаться и самообучаться. Структурный и функциональный элемент нервной системы – нейроны.

Нейроны – высокоспециализированные неделящиеся клетки, которые вследствие своей уникальной роли имеют своеобразное строение и функцию. Открытые более 150 лет тому назад, они по-прежнему привлекают внимание исследователей. Как независимые элементы нервной системы они были идентифцированы сравнительно недавно - в XIX веке. Имеющая исключительно сложное строение нервная клетка - это субстрат самых высокоорганизованных физиологических реакций, лежащих в основе способности живых организмов к дифференцированному реагированию на изменения внешней среды. К функциям нервной клетки относится передача информации об этих изменениях и ее запоминание на длительные сроки, создание образа внешнего мира и организация поведения наиболее целесообразным способом, обеспечивающим живому существу максимальный успех в борьбе за свое существование.

Рост и развитие. В развитии нервной системы можно выделить три этапа, которые частично перекрываются. На первом этапе нейроны образуются в соответствии с собственной программой роста и развития. Образующиеся клетки мигрируют из мест своего "рождения", чтобы упорядоченным образом расположиться в других участках. На втором этапе от клеток отрастают аксоны и дендриты, кончики которых продвигаются с помощью конусов роста. На третьем этапе развития нервной системы образуются синапсы, а затем схема связей уточняется с помощью механизмов, зависящих от электрической активности.

Почти у всех животных нейроны в каждой небольшой области развивающейся нервной системы формируются в соответствии с собственной программой деления, без влияния со стороны клеток, с которыми позднее образуются нервные связи. Существует определенная связь между "датой рождения" нейрона в центральной нервной системе и местом его окончательной локализации. Присущие клетке особенности определяют характер ее будущих связей. Как же аксоны и дендриты, отходяшие от миллиардов нейронов, отыскивают нужных партнеров для формирования связей, так, чтобы создавалась эфективно функционирующая сеть?

Аксоны и дендриты удлиняются благодаря конусу роста ( рис.1 ) на их кончиках. На конце растущего отростка нервной клетки появляется своеобразное утолщение неправильной формы. Эта структура и прокладывает путь через окружающую ткань. Конус роста служит одновременно и "двигателем", и приспособлением, направляющим отросток по нужному пути. Эмбриональные нервные клетки in vitro выпускают отростки, которые трудно идентифицировать как аксоны или дендриты и которые получили поэтому нейтральное название нейритов. Конус роста на конце каждого нейрита продвигается со скоростью около 1 мм в сутки. Это широкая утолщенная часть нейрита, похожая на ладонь со множеством длинных тонких микрошипиков, напоминающих пальцы. Они находятся в непрестанном движении: в то время как одни втягиваются обратно в конус роста, другие, наоборот, удлиняются, отклоняются в разные стороны, прикасаются к субстрату и могут прилипать к нему.

Движение конуса роста in vitro может направляться избирательной адгезией (молекулярным притяжением, существующем между поверхностями тел в заново формирующемся тканевом контакте), хемотаксисом и электрическими полями. Конусы роста при выборе субстрата предпочитают поверхности, к которым они прилипают наиболее прочно. По мере продвижения вперед конусы роста непрерывно вытягивают микрошипики к участкам, лежащим впереди и сбоку. Микрошипики как бы исследуют близлежащие поверхности и направляют конус роста по пути с наиболее сильными адгезивными свойствами. На продвижение конусов роста влияет также форма поверхности — например, конусы роста, "прицепившиеся" к волокнам, будут склонны двигаться вдоль них.

На каждом повороте пути конусы роста "первопроходцев" вступают в контакт со специфическими клетками, на которых они образуют временные щелевые контакты. Микрошипики, выпускаемые первыми конусами роста, достигают длины 50 или даже 100 мкм; этого достаточно, чтобы дотянуться до следующей клетки-указателя. Конус роста продвигается шаг за шагом к центральной нервной системе. Если клетку-указатель разрушить лазерным лучом раньше, чем конус роста достигнет ее, то конус в этой точке “заблудится” (рис.1 ). Таким образом происходит формирование соединений между нейронами.

Рис.2. Изолированный идентифицированный нейрон виноградной улитки из правого париетального ганглия.

Нейрон: его строение и функции. В нервных клетках различимы тело (сома) и отростки (рис.2). Размер тела клетки может быть от 2 мкм (размер фоторецептора) -5080561975до 1000 мкм (размер гигантского нейрона у морского моллюска Aplysia). Форма нейронов также исключительно разнообразна. Наиболее ясно она видна при приготовлении препарата полностью изолированных нервных клеток. Нейроны чаще всего имеют неправильную форму. Есть нейроны напоминающие “листик”, “цветок” (рис.2). Иногда поверхность клеток напоминает мозг - она имеет “борозды” и “извилины”. Исчерченность мембраны нейронов увеличивает ее поверхность более чем в 7 раз. В зависимости от функционального назначения отростков и их количества различают клетки монополярные и мультиполярные. Монополярные клетки имеют только один отросток – аксон (рис.2 ), по которому возбуждение распространяется от клетки. Согласно классическим представлениям, у нейронов один аксон, однако последние электрофизиологические исследования с использованием красителей, которые могут распространяться от тела клетки и прокрашивать отростки, показывают, что нейроны могут иметь более чем один аксон. Место перехода сомы в аксон называется аксонным холмиком или хиллоком (рис.2). По своим функциональным свойствам хиллок отличается и от сомы, и от аксона - это самая возбудимая часть нейрона. Мультиполярные (биполярные) клетки имеют не только аксоны, но и дендриты по которым сигналы от других клеток поступают в нейрон (рис. 3 ). Дендриты в зависимости от их локализации могут быть базальными и апикальными. Дендритное 17780232410дерево некоторых нейронов чрезвычайно разветвлено, а на дендритах находятся синапсы - структурно и функционально оформленные места контактов одной клетки с другой.

Рис.3.Типы нервных клеток позвоночных после окраски по Голъджи (погружение нервной ткани в раствор солей металлов): От тела нейрона отходит множество дендритов, получающих входные сигналы от других клеток, и один тонкий ветвящийся аксон, передающий выходные сигналы в направлении, показанном стрелками. А и Б короткоаксонные нейроны; В - Е нейроны с длинными аксонами (показаны только начальные участки). А - биполярная клетка из сетчатки ящерицы; Б - корзинчатая клетка: В - пирамидная клетка коры головного мозга кролика; Г - нейрон из ствола мозга человека: Д - клетка мозжечка кошки; Е - клетка Пуркинъе из мозжечка человека. (А ) около 100 мкм, тогда как изображенная на рисунке часть клетки Пуркинъе (Е) имеет ширину около 400 мкм (длина ее аксона достигает нескольких сантиметров) (по Альбертсу Б. и др.).

Отростки-проводники придают нервным клеткам способность объединяться в нервные сети различной сложности, что является основой для создания из элементарных нервных клеток всех систем мозга. Для приведения в действие этого основного механизма и его использования нервные клетки должны обладать вспомогательными механизмами. Назначением одного из них является превращение энергии различных внешних воздействий в единственный вид энергии, который может включить процесс электрического возбуждения,— энергию электрического тока. У рецепторных нервных клеток таким вспомогательным механизмом являются особые сенсорные структуры - мембраны, позволяющие изменять ее ионную проводимость при действии тех или иных внешних факторов (механических, химических, световых). У большинства других нервных клеток — это хемочувствительные структуры тех участков поверхностной мембраны, к которым прилежат окончания отростков других нервных клеток (постсинаптические участки) и которые могут изменять ионную проводимость мембраны при взаимодействии с химическими веществами, выделяемыми нервными окончаниями. Возникающий при таком изменении локальный электрический ток является непосредственным раздражителем, включающим основной механизм электрической возбудимости. Назначение второго вспомогательного механизма — преобразование нервного импульса в процесс, который позволяет использовать принесенную этим сигналом информацию для запуска определенных форм клеточной активности.

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

Электрическая активность нейронов. У истоков современных представлений о механизмах возникновения электрических потенциалов в живых тканях стоит теория электролитической диссоциации. Наше тело в основном состоит из воды (около 60% веса взрослого тела). Большая часть солей растворена в этой воде и биохимические ракции происходят только в солевых растворах. Клетки похожи на маленькие закрытые мешочки с солевым раствором, стенки которых сделаны из полупроницаемой мембраны. Внутри клеток сложная внутриклеточная среда. Клетки находятся во внеклеточном пространстве, которое тоже содержит различные солевые растворы. Растворы внутри клетки и снаружи ее имеют разные составы и этот факт исключительно важен для функции клеток, особенно для таких возбудимых клеток как нейроны и мышечные клетки, которые могут реагировать на стимулы, приходящие извне. Для того, чтобы понять, как происходит возбуждение и его передача в другие части нервной системы, нужно понять роль ионов и воды, потому что это важно для мембранных процессов, которые протекают при непосредственном участии клеточной мембраны.

Ионы. Когда такие вещества как обычная соль (NaCl), состоящая из равных частей элементов натрия и хлора, растворяются в воде, молекулы перестают существовать как кристаллы соли и превращаются в частицы, называемые ионами.

Ионы формируются, когда атомы натрия и хлора теряют или присоединяют электроны при контакте с водой, и поэтому становятся электрически поляризованными. В случае обычной соли натрий теряет электрон и становится положительно заряженным, а хлор присоединяет электрон и становится отрицательно заряженным. Средний электрический заряд солевого раствора равен нулю, потому что на каждый ион натрия приходится один ион хлора. Тем самым они уравновешивают друг друга. Но у живых клеток достигается неравенство в распределении по-разному заряженных ионов. В таком случае окружающая клетку среда теряет электрическое равновесие и становится электрически поляризованной вблизи мембраны.

Мембрана. Биологические мембраны проницаемы для многих ионов. В мембране показано существование пор или каналов для пассивного транспорта ионов, соединяющие одну сторону с другой. Через каналы или поры ионы могут свободно переходить на другую сторону мембраны. Например, если по одну сторону мембраны более высокая концентрация ионов натрия или хлора чем по другую, то эти эти ионы постепенно перейдут на другую сторону, вследствие различия концентраций. Следовательно, по обе стороны мембраны будет одна и та же концентрация ионов. Скорость перехода регулируется числом и размером пор ( это не мгновенное явление, а это медленная диффузия). Маленькие поры в поверхности проницаемой мембраны позволяют осуществлять избирательный переход ионов. Для каждого вида ионов существуют свои специфические каналы. Скорость перехода регулируется числом и размером пор.

Движение ионов. При пассивном транспорте ионы проходят через мембрану вследствие молекулярной диффузии, по химическому или электрическому градиенту. Клеточная мембрана пропускает некоторые молекулы легче чем другие, что связано с размером каналов и химической конформацией молекул. Ионы имеют тенденцию быстро диффундировать в растворах, которые создают внутреннюю и внешнюю окружающую среду клеток, и постепенно устанавливать равновесие, то есть их концентрация становится одинаковой во всех частях раствора. Почему это происходит? Первой причиной является температура. Когда ионы и молекуля рассеяны в растворе, они передвигаются хаотично (Броуновское движение) и постепенно переходят на другую сторону мембраны. Скорость движения зависит от температуры, чем она выше, тем быстрее достигается равновесие. Второй причиной является различие в концентрациях или химический градиент: ионы из области с более высокой концентрацией переходят в область с более низкой концентрацией. Третья причина – это разница в электрическом заряде или электрический градиент. Положительные ионы (катионы) отталкиваются положительно заряженными частицами раствора и притягиваются отрицательно заряженными частицами. На отрицательные ионы – анионы – направлены такие же воздействия: они отталкиваются частицами, имеющими такой же заряд, и притягиваются частицами, имеющими противоположный заряд.

Некоторые ионы и молекулы могут проходить через клеточную мембрану только при помощи специального процесса, который называется активным транспортом. Он осуществляется при помощи маленьких “двигателей”, называемых ионными насосами. Наиболее важным мембранным насосом возбудимых клеток является Na+/K+ насос. Для каждого иона натрия, проходящего через мембрану, он транспортирует в противоположном направлении ион калия (у нервных клеток ионы калия (K+), натрия (Na+), хлора (Cl-), кальция (Ca+) и др. имеют различную концентрацию по разные стороны клеточной мембраны). Неравное распределение веществ в экстраклеточном и внутриклеточном пространстве сохраняется при помощи активных насосов. Для работы активных насосов требуется метаболическая энергия. Эта энергия высвобождается живыми клетками при помощи сложных метаболических процессов.

Электрический заряд. Все клетки человеческого тела имеют электрический заряд. Стационарная разность потенциалов между внутриклеточным и внеклеточным содержимым отрицательная. Эта величина отрицательного заряда называется мембранным потенциалом покоя. Накопленные данные позволили установить, что в норме потенциал покоя нервной клетки равен -40 - -65 мВ. Для мембранной теории биопотенциалов исключительно важное значение имело установление того факта, что большая часть ионов в протоплазме находится в свободном состоянии, т.е., что протоплазма представляет собой свободный раствор ионов К+. Несколько иной результат дали измерения внутриклеточной активности ионов Na+. В то время как большая часть ионов К+ в протоплазме находится в свободном состоянии, примерно половина натрия либо связана, либо находится в каких-то внутриклеточных включениях.

В отличие от Na+ и К+, Ca++ в протоплазме клеток (волокон) почти целиком находится в связанном состоянии. Примерно 10 мкМ Са++ связано с такими внутриклеточными анионами как АТФ, цитрат, глутамат и др. Остальной кальций находится во внутриклеточных органеллах, по-видимому, в митохондриях. Асимметричное распределение ионов калия приводит к появлению разности потенциалов между наружной поверхностью мембраны и внутриклеточным содержимым.

Как же получается этот потенциал? Ионы (пусть это будут ионы калия) с более высокой проницаемостью будут проходить через избирательно проницаемую мембрану быстрее, в соответствии с химическим градиентом. Другие ионы (например, ионы хлора) будут делать то же самое значительно медленнее. В таком случае через какое-то время внутри создастся более высокая концентрация ионов калия, чем хлора, а снаружи будет больше хлора, чем калия.

Поскольку существует заряд поляризации одной стороны по отношению к другой, ионы проявляют тенденцию подчиняться движению по электрическому градиенту. Так как калий – положительный ион и отталкивается положительными зарядами, он в конце концов перестанет двигаться по химическому градиенту. Положительный заряд калия, внося вклад во внутренность, будет препятствовать его электрическому отталкиванию. То же самое произойдет и с отрицательным ионом хлора. Таким образом восстановится равновесие между электрическими и химическими силами, управляющими движением калия и хлора. Через избирательно проницаемую мембрану и концентрация останется постоянной. В результате поляризация станет стабильной.

Немецкий ученый Нернст отразил феномен взаимосвязи между химическими и электрическими силами в законе, который получил его имя. Сущность этого закона состоит в следующем: химическая концентрация ионов и электрический заряд находятся в равновесии для каждого вида ионов. Их постоянный потенциал пропорционален логарифму отношения концентраций ионов с каждой стороны мембраны. Для каждого вида ионов существует свой потенциал Нернста. Мембранный потенциал покоя является суммой потенциалов Нернста для всех ионов.

Электрическая возбудимость. Главное отличие нервной клетки от любой другой заключается в том, что она способна быстро изменять величину заряда вплоть до противоположного. Имено эта особенноть этих клеток дает им возможноть генерировать потенциалы действия (ПД), выполняющие функцию сигнального механизма. Когда мембранный потенциал нервной клетки снижается до критической величины, примерно на 15 мВ (от -70 до -55), инициируется регенеративный самоограничивающийся потенциал действия, развивающийся по типу все-или-ничего (рис.4). Все функции, свойственные нервной системе, связаны с наличием у нервных клеток структурных и функциональных особенностей, обеспечивающих возможность генерации под влиянием внешнего воздействия особого сигнального процесса — нервного импульса, основными свойствами которого являются незатухающее распространение вдоль клетки, возможность передачи сигнала в необходимом направлении и воздействия с его помощью на другие клетки. Способность к генерации нервной клеткой распространяющегося нервного импульса определяется особым молекулярным устройством поверхностной мембраны, позволяющим воспринимать изменения проходящего через нее электрического поля, изменять практически мгновенно свою ионную проводимость и создавать за счет этого трансмембранный ионный ток, используя в качестве движущей силы постоянно существующие между вне- и внутриклеточной средой ионные градиенты. Этот комплекс процессов, объединяемых под общим названием “механизм электрической возбудимости”, является самой яркой функциональной характеристикой нервной клетки. Возможность направленного распространения нервного импульса обеспечивается наличием у нервной клетки ветвящихся отростков, нередко простирающихся на значительные расстояния от ее сомы и обладающих в области своих окончаний механизмом передачи сигнала через межклеточную щель на последующие клетки.

Применение микроэлектродной техники позволило выполнить тонкие измерения, показывающие основные электрофизиологические характеристики нервных клеток. Измерения показали, что каждая нервная клетка имеет отрицательный заряд, величина которого равна –40—65 мВ. Критический уровень деполяризации нейрона, при достижении которого возникает быстрый разряд, называется порогом генерации ПД (рис.4). Длительность потенциала действия различна у позвоночных и беспозвоночных животных - у позвоночных она равна 1 мс, а у беспозвоночных 10 мс. Серия потенциалов действия, распределенных во времени, является основой для пространственно-временного кодирования.

Микроэлектродная регистрация электрической активности нейронов. Несомненно, что решающим методическим достижением, позволившим перейти к точному решению вопроса о наличии электрической возбудимости в соме и дендритах нервных клеток, было изобретение и введение в практику микроэлектродной техники. При помощи микроэлектродов исследователи могут регистрировать электрическую активность экстраклеточно (если микроэлектрод не проходит через мембрану внутрь нейрона) или внутриклеточно (если он проходит через клеточную мембрану. Но, если экстраклеточный микроэлектрод регистрирует только сильные изменения электрических потенциалов в виде спайковой активности (ПД), то внутриклеточный микроэлектрод дает возможность исследовать участие синаптических и пейсмекерных колебаний, амплитуда которых на порядок ниже спайковых разрядов нейрона (рис.5). Использование стеклянных микроэлектродов, обладающих достаточной механической прочностью даже при уменьшении диаметра кончика электрода до десятых долей микрометра, не только доказало наличие электрической возбудимости в соме клеток, но и позволило исследовать многие вопросы, связанные с генерированием импульсной активности, кодированием и передачей информации. Основным критерием наличия электрической возбудимости сомы нервной клетки, полученным методом внутриклеточного микроэлектродного отведения, является отведение потенциала действия постоянной амплитуды, существенно превышающего уровень мембранного потенциала.

Такой потенциал действия может быть вызван при синаптической активации исследуемой клетки (ортодромная активация) путем пропускания через клеточную мембрану электрического тока выходящего (деполяризующего) направления (прямое раздражение) и посылкой в клетку импульса из аксона (антидромная активация).

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

Пейсмекерная активность

Пейсмекерными потенциалами называют близкие к синусоидальным колебания c частотой 0,1—10 гц, амплитудой 5—10 мВ (рис.6,7). Именно эта категория эндогенных потенциалов, связанных с активным транспортом ионов, образует механизм внутреннего генератора нейрона, обеспечивающего периодическое достижение порога генерации ПД в отсутствие внешнего источника возбуждения. Пейсмекерный потенциал, взаимодействующий с хемовозбудимой и электровозбудимой мембраной, делает нейрон устройством со «встроенным» управляемым генератором. Потенциал действия (ПД), возникающий на пейсмекерной волне, называется пейсмекерным потенциалом действия, чтобы отличить его от потенциалов действия, возникающих при приходе ВПСП (синаптические ПД). Эндогенная внутриклеточная природа пейсмекерных потенциалов подтверждается сохранением их после полной изоляции нейрона от сетевых эффектов и зависимостью их частоты от уровня мембранного потенциала клетки. Такие синусоидальные эндогенные осцилляции мембранного потенциала лежат в основе ритмической спайковой активности нейронов многих животных. Пейсмекерный механизм является универсальным и представлен у нейронов живых существ различных уровней эволюции.

Пейсмекерный потенциал, отводимый внутриклеточным микроэлектродом от сомы нейрона моллюска, имеет синусоидальную или пилообразную форму. Пейсмекерные потенциалы встречаются в виде регулярных колебаний, групп колебаний, сначала возрастающих, а затем убывающих по амплитуде отдельных волн. В условиях, когда пейсмекерные потенциалы не достигают порога генерации потенциала действия (ПД), удается измерить их амплитуду, которая обычно составляет от 5 до 25 мВ (рис.6).

В зависимости от типа пейсмекерного потенциала наблюдаются регулярные групповые и одиночные ПД. При сравнении разных пейсмекерных потенциалов, лежащих ниже порога генерации с ПД, становится очевидным, что все пейсмекерные потенциалы обладают общими свойствами, отличными от свойств потенциалов действия.

При гиперполяризации сомы нейрона через внутриклеточный микроэлектрод крутизна возрастания деполяризационной волны и ее амплитуда уменьшаются вплоть до полного подавления колебаний. При деполяризации сомы нейрона через внутриклеточный микроэлектрод крутизна нарастания деполяризационной волны пейсмекерного потенциала увеличивается. Частота пейсмекерных потенциалов растет.

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

Кроме фоновоактивных нейронов существуют нейроны (чаще гигантские), у которых фоновая спайковая активность отсутствует. Однако в результате активации такой клетки в ней возникает и в течение длительного времени поддерживается ритмическая спайковая активность, обусловленная деятельностью пейсмекерного механизма. Такие нейроны получили название латентных пейсмекерных нейронов (рис.7).

Характерной чертой пейсмекерного потенциала является постепенно ускоряющаяся деполяризация, которая и образует пейсмекерную волну. Эта деполяризация, которая развивается без изменения сопротивления мембраны, при достижении порога приводит к генерации пейсмекерного ПД. Предположительно за пейсмекерный потенциал ответствен активный транспорт ионов хлора и ионов кальция. Механизм пейсмекерной активности находится под влиянием генетических механизмов.

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

0тносительно локализации пейсмекерного механизма до сих пор не существует единой точки зрения.

Нейрофизиолог Б.Альвинг (1968) провела эксперименты на нейронах моллюска аплизии, применив перевязку аксона шелковой нитью (метод наложения лигатуры, который позволяет ограничить синаптические влияния и тем самым функционально изолировать нервные клетки). Опыты показали, что нейроны, в норме демонстрировавшие пейсмекерную активность, сохраняли ее и после перевязки аксона. Некоторые исследователи, изучая электрическую активность механически изолированных тел нервных клеток, показали, что соматическая мембрана способна к эндогенной пейсмекерной активности. Подтверждением существования пейсмекерной активности в соме служит высокая чувствительность частоты и амплитуды эндогенных потенциалов к незначительным изменениям ПП в нейронах, особенно в таких, где пейсмекерные потенциалы имеют форму синусоиды.

С другой стороны, изучение эндогенной активности нейронов аплизии привело к предположению, что, наряду со спонтанной активностью сомы, механизм пейсмекерной активности может локализоваться и на отростке. Эндогенное происхождение пейсмекерного потенциала подтверждается полной механической изоляцией нейрона моллюска, которая достигается обработкой ганглия трипсином. Авторами было показано сохранение исходного вида пейсмекерной активности в таких полностью изолированных нейронах. Эти факты говорят о том, что пейсмекерный механизм локализован в соме.

Пейсмекерный локус — это ограниченный участок мембраны нервной клетки, способный к генерации электрических потенциалов. Такие локусы могут находиться как на уровне соматической мембраны, так и вблизи области генерации ПД на отростке. Различие форм пейсмекерных волн, видимо, можно объяснить различным расстоянием локусов пейсмекерной активности от отводящего микроэлектрода. В одной и той же нервной клетке может существовать несколько локусов пейсмекерной активности. В зависимости от активации того или иного пейсмекерного локуса возникают ПД, различающиеся своей амплитудой, критической величиной деполяризации и величиной следовой гиперполяризации..

Пейсмекер - эндогенный процесс. Способность к ритмической активности сохраняется у некоторых клеток в течение длительного времени после полного их выделения. Запускать генерацию колебаний мембранного потенциала могут синаптические и внесинаптические влияния. Наличие внесинаптической рецепции показывает возможность модуляции пейсмекерной активности диффузным действием выделяющихся медиаторных веществ.

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

Генетическая регуляция пейсмекерных потенциалов. Пейсмекерный потенциал зависит от ряда условий: уровня мембранного потенциала и содержания ионов. Кроме того, существует механизм генерации генетически обусловленной частоты пейсмекерной активности. У ряда нейронов частота пейсмекерной активности чрезвычайно устойчива, образуя характерную для каждой идентифицированной клетки последовательность потенциалов.

Видовая специфичность пейсмекерных потенциалов определяется тем, что генетический аппарат может прямо влиять на механизм пейсмекерной активности. Возникает вопрос, как передается эта генетическая информация от генома к пейсмекерному механизму в нейроне Одним из возможных механизмов управления может быть прямой путь: ДНК - и-РНК— белок.

Синапсы

Когда выяснилось, что ткани мозга состоят из отдельных клеток, соединенных между собой отростками, возник другой вопрос: каким образом совместная работа этих клеток обеспечивает функционирование мозга в целом. Выяснилось, что каждый нейрон имеет множество связей с клетками-мишенями. Эти мишени могут быть нейронами разных типов, нейросекреторными клетками или мышечными клетками. Взаимодействие нервных клеток в значительной мере ограничено специфическими местами, в которые могут приходить соединения - это синапсы. Контакты, которые формируют нейроны с клетками-мишенями, специализированы, и, как следствие, природа сигналов, распространяющихся между нейронами и клетками-мишенями, изменяется в месте этого контакта. Сантьяго Рамон-и-Кахал (1911) показал, что все синапсы состоят из двух элементов - пресинаптической терминали и постсинаптической мембраны. Рамон-и-Кахал предсказал также существование третьего элемента синапса - синаптической щели, пространства между пресинаптическим и постсинаптическим элементами синапса. Совместная работа этих трех элементов и лежит в основе коммуникации между нейронами и процессами передачи синаптической информации (рис.8 ). Сложные формы синаптических связей, формирующихся по мере развития мозга, составляют основу всех функций нервных клеток - от сенсорной перцепции до обучения и памяти. Более того, дефекты синаптической передачи лежат в основе многих заболеваний нервной системы.

Синаптические потенциалы. При возбуждении или торможении клеток внешняя мембрана нейронов чувствительна к действию специальных веществ, которые выделяются из пресинаптической терминали - к нейромедиаторам.

Нейромедиаторы. По химической структуре нейромедиаторы относительно маленькие и простые молекулы. Разные виды клеток секретируют разные нейромедиаторы. Все нейромедиаторы могут быть разбиты на четыре класса: 1/. Холины, среди которых наиболее известен ацетилхолин (АХ); 2/. Биогенные амины – серотонин, гистамин, катехоламины – допамин и норэпинефрин; 3/. Аминокислоты – глютамат и аспартат хорошо известные возбуждающие медиаторы, а гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), глицин и таурин – тормозные нейромедиаторы; 4/. Нейропептиды – они формируются более длинными цепочками аминокислот (подобно маленьким белковым молекулам). Известно, что в мозге идентифицировано большое количество нейропептидов и многие из них принимают участие в процессах обучения.

В настоящее время известно несколько десятков нейромедиаторов непептидной природы и сотни медиаторов пептидной природы, которые выполняют функцию передачи электрического сигнала от нейрона к нейрону. На внешней стороне мембраны расположены специализированные белковые молекулы - рецепторы, которые и взаимодействуют с нейромедиатором. В результате происходит открытие каналов специфической ионной проницаемости - только определенные ионы могут массировано проходить в клетку после действия медиатора. Развивается локальная деполяризация или гиперполяризация мембраны, которая называется постсинаптическим потенциалом (ПСП). ПСП могут быть возбудительными (ВПСП) и тормозными (ТПСП) (рис.9). Амплитуда ПСП может достигать 20 мВ. Градуальный характер ВПСП резко отличает его от максимального потенциала действия, развивающегося в случае достижения постсинаптической деполяризацией определенного порогового уровня.

Возбудительные синаптические потенциалы редуцируют (деполяризуют) мембранный потенциал и, если этого достаточно, смещают мембранный потенциал к порогу генерации потенциалов действия (ПД). Тормозные синаптические потенциалы увеличивают (гиперполяризуют) мембранный потенциал и предотвращают появление в аксоне потенциалов действия (рис.9 ). Пространственная и временная суммация возбудительных и тормозных потенциалов определяет, будет ли нейрон генерировать потенциалы действия. Однажды генерированный потенциал действия распространяется без затухания по аксону к своему выходному элементу, пресинаптической терминали. Нейротрансмиттер диффундирует через синаптическую щель, которая разделяет пресинаптическую терминаль и постсинаптическую мишень и взаимодействует с рецепторами, которые расположены на дендритах или соме (теле) постсинаптического нейрона. Свойства индивидуальных синапсов, в особенности свойства постсинаптических рецепторов, определяют, приведет связывание нейротрансмиттера к тормозному или возбудительному синаптическому потенциалу. Синаптические потенциалы вольт-зависимы. Их величина определяется уровнем мембранного потенциала (МП) нейрона (рис.10).

В соответствии с ионной гипотезой сигнальные способности клетки восходят к двум известным видам специализированных мембранных белков - каналам и насосам - которые позволяют ионам проходить сквозь мембрану. Насосы активно транспортируют специфические ионы против электрохимического градиента и поэтому требуют метаболической энергии. Каналы - это протеиновые поры в липидном бислое, которые позволяют специфическим ионам быстро передвигаться по электрохимическому градиенту и не требуют метаболической энергии. Каналообразующие протеины распадаются на два класса. Вольт-зависимые каналы чувствительны к электрическим полям, проходящим через мембрану, и открываются в ответ на изменение этого потенциала. Некоторые из этих каналов только отчасти вольт-зависимы и открываются на уровне потенциала покоя мембраны. Эти каналы дают свой вклад в формирование потенциала покоя. Другие каналы на этом уровне не открываются и заметно вольт-зависимы. Они делают свой вклад в формирование потенциала действия. Лиганд-зависимые каналы распознают химические передатчики и открываются, когда с ними связывается специфический нейротрансмиттер. Это приводит к развитию синаптического потенциала.

Фармакология хеморецепторов Разнообразие химических синапсов обеспечивается не только наличием разных медиаторов, но и тем, что один медиатор способен вызывать разные постсинаптические эффекты..Л.Тауц и Х.Гершенфельд (1960) нашли, что медиатор АХ в ганглии моллюска деполяризует одни клетки (D-нейроны) и гиперполяризует другие (Н-нейроны). Позже было показано, что причина разных D- и Н- ответов — различие рецепторов; оказалось, что в ганглии аплизии даже не два, а три типа холинорецепторов (ХР), различимых фармакологически: один из них приводит к увеличению проницаемости мембраны для ионов натрия, другой — для ионов хлора и третий - для ионов калия. Исследователям удалось показать, что для разных видов рецепторов существуют свои блокаторы – вещества, которые в минимальных количестваях присутствуя во внешней среде избирательно “выключают” рецепторы только определенного вида. Например, специфическим блокатором никотиновых рецепторов, чувствительных к АХ, является Д-тубокурарин (кураре) (рис.11). Разные рецепторы могут встречаться на мембране одного нейрона. Становится все более очевидным, что в центральной нервной системе имеется многорецепторная система для каждого из изучавшихся медиаторов. По-разному отвечают нейроны и на другие медиаторные вещества: ДА, 5-ОТ, ГК. Здесь также найдены свои D- и Н-нейроны. Особенно много рецепторов — пять типов — описано для серотонина. Эти типы различают по их ионным механизмам, кроме того, для трех из пяти рецепторов серотонина найдены фармакологические антагонисты.

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

Ранее предполагалось, что в каждом синапсе выделяется какой-нибудь один нейромедиатор. Но за последние 5 лет накопилось множество данных, которые демонстрируют весьма сложную работу синапса – в зависимости от характеристик входного сигнала (например, его силы) выделяется тот или иной медиатор. Например, в опытах показано, что при слабых сигналах в синапсе выделяется ацетилхолин, а при более интенсивных – глутамат. Исследователи приходят к выводу о том, что нейрон представляет собой гибкую систему с вариабельными нейромедиаторами, высвобождаемыми в разных сочетаниях при разных комбинациях воздействующих сигналов (Виноградова,2000).

Ионная гипотеза синаптической передачи. Р.Фэтт и Б.Кац (1951) нашли, что химическая синаптическая передача в ее простейшей форме может быть объяснена на основе ионной гипотезы, согласно которой рецепторные каналы открываются химически при помощи трансмиттера, а не управляются изменением напряжения. Они показали, что АХ, высвобождаемый пресинаптической терминалью в синапсе между нейроном и мышцей позвоночного животного, вызывает возбуждающее действие в постсинаптической мышечной клетке, посредством связывания со специфическим рецептором, расположенным на внешней поверхности. Связывание АХ на этом рецепторе приводит к открытию класса каналов, которые проницаемы для Na+ и К+. В тормозных синапсах часто ГАМК открывает каналы для Cl- или для К+. Сравнивая тормозные и возбудительные синапсы на разных нервно-мышечных препаратах позвоночных и беспозвоночных животных, Фэтт и Кац пришли к выводу о том, что различие между тормозными и возбудительными синапсами зависит не от идентичности нейротрансмиттеров, а от свойств постсинаптических каналов. Различие между синапсами возбудительными и синапсами тормозными лежит в соотношении потенциалов равновесия для ионов, проходящих через открытые каналы, до порогового потенциала, запускающего генерацию потенциала действия (обычно -55 мВ). Когда передатчик открывает каналы для ионов Na (чей потенциал равновесия равен +55 мВ), результирующее действие неизменно возбуждающее (увеличивается даже калиевый ток и предотвращается достижение потенциала равновесия для Na). Это происходит из-за того, что движущая сила Na настолько велика, что, несмотря на противоположно направленный калиевый ток, она сдвигает мембранный потенциал в сторону 0 и, следовательно, за порог генерации. Когда нейротрансмиттер открывает ионные каналы для K или Cl, чьи потенциалы равновесия между -70 и -60 мВ, результирующее действие тормозное, поэтому оно предотвращает смещение мембранного потенциала к порогу генерации.

Принципы, выведенные на основе исследований периферических синапсов, были быстро подтверждены и обобщены Дж.Экклзом и для работы центральной нервной системы. В течение шестидесятых-семидесятых годов была проанализирована работа доступных для исследований постсинаптических ответов химических синапсов, включая те, в которых используется глютомат, ГАМК и глицин. В каждом случае было обнаружено, что происходит связывание рецептора, которое напрямую регулирует открывание ионных каналов. Так, было обнаружено, что распознавание места, которое связывается нейротрансмиттером, и каналов, которые позволяют проходить определенным ионам, внутри одного мультимерного протеина содержит два разных домена.

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

Взаимодействие синаптических и пейсмекерных процессов. Не должно создаваться впечатления, что рассмотренные нами пейсмекерные и синаптические потенциалы никак не взаимодействуют и являются совершенно независимыми процессами. Наоборот, арсенал клеточных ответов становится значительно богаче, когда оба эти механизма активно работают. Понимание роли пейсмекерного механизма основано именно на фактах, демонстрирующих участие пейсмекерных потенциалов в развитии ответов на пришедший синаптический сигнал (рис.12). Пейсмекер может выступать и как усилитель пейсмекерной реакции, обеспечивая ей большую длительность во времени, а сам пейсмекер испытывая синаптические влияния модулируется по частоте и амплитуде, что, естественно отражается на работе всей ниже лежащей системы нервных элементов. Роль пейсмекерных потенциалов в организации функциональных систем, обеспечивающих поведение определенного вида, возможна только в контексте его взаимодействия с синаптическими процессами и электровозбудимыми клеточными мембранами.

Организация рефлекторной дуги

В качестве элементарных единиц поведения принято рассматривать рефлексы, из которых складываются более сложные формы поведения, или комплексы фиксированных действий, не сводимые к комбинации рефлекторных актов. В ходе эволюции происходит усложнение рефлекторной деятельности, поэтому понятие рефлекса охватывает различные по сложности поведенческие акты. Эволюция рефлекторной деятельности не сводится к объединению элементарных рефлексов, а включает в себя качественные преобразования, основанные на формировании новых нейронных структур, надстраивающихся над уровнем более элементарных единиц. Рефлекторный акт — это усложняющаяся в эволюции иерархическая система. Исследование архитектуры рефлекторной дуги в простых биологических системах открывает путь к расшифровке ее нейронной организации с учетом тех синаптических связей, которые обеспечивают реализацию поведения.

В настоящее время накоплен большой материал относительно участия нейронов в различных видах рефлексов. Естественным шагом на пути обобщения этих данных является схематизация, позволяющая перейти к абстрактным элементам и построить из них структуру концептуальной рефлекторной дуги. Концептуальная рефлекторная дуга - это схема нейронной организации рефлекторного акта. В качестве примера рассмотрим нейронную организацию оборонительного рефлекса улитки.

Совокупность определенным образом организованных мышечных единиц образует моторное поле рефлекса. Трансформация моторного поля во времени при реализации рефлекса образует траекторию его изменений в пространстве состояний. Совокупность рецепторов, возбуждение которых приводит к возникновению определенного рефлекса, образует его рецептивное поле. Структура рецептивного поля может изменяется в зависимости от условий. И моторное, и рецептивное поле данного рефлекса претерпевают направленные изменения в результате многократных воздействий (привыкание и сенситизация), или ассоциативного научения. Определение поведения по схеме «стимул — реакция» недостаточно для понимания его механизмов. Нейробиология требует расшифровки поведения на уровне идентифицированных нервных клеток.

Стимул, действуя на группу рецепторов, возбуждает локальный детектор. Локальный детектор связан с командными нейронами пластичными синапсами и такая связь может быть моносинаптической (рис.13). Моторное поле каждого командного нейрона определяется тем составом мотонейронов, с которыми связан. Каждый мотонейрон связан с группой мышечных клеток и вызывает сложный по составу моторный ответ, образующий моторное поле данного рефлекса. Кроме того, командные нейроны имеют прямые связи с мышечными единицами, образующими фокус моторного поля командного нейрона.

Важным элементом концептуальной рефлекторной дуги являются модуляторные нейроны, специальные для каждой рефлекторной дуги. В системе оборонительного рефлекса модуляторные нейроны представлены группой нервных клеток, получающих возбуждение от локальных детекторов через пластичные синапсы и от ноцицептивных детекторов через непластичные синапсы. В свою очередь аксоны модуляторных нейронов оканчиваются на пресинаптических окончаниях локальных детекторов, которые образуют синапсы на командных нейронах. Возбуждение модуляторных нейронов усиливает эффективность синапсов детекторов, образованных на командном нейроне. Кроме того, модуляторные нейроны, выделяют нейропептид в межклеточную среду, активируют внутриклеточные механизмы командных нейронов, включая латентный пейсмекерный механизм.

Каким образом возбуждение детекторов приводит к возникновению определенной реакции? Для объяснения этого явления необходимо ввести понятие командного нейрона. Командный нейрон представляет собой интернейрон, возбуждение которого приводит к генерации фиксированной реакции, вызывает целостный поведенческий акт или его отдельный фрагмент при помощи активации одних и торможения других нервных элементов. Реакция как целое определяется тем набором мотонейронов, с которыми связан данный командный нейрон. Возбуждение командного нейрона определяется тем, какие детекторы на нем конвергируют. Совокупность детекторов, конвергирующих на командном нейроне, определяет его рецептивное поле, а тем самым и рецептивное поле связанной с ним реакции. Моторное поле характеризует командный нейрон. Моторные поля родственных командных нейронов, обслуживающих один и тот же рефлекс, перекрываются. В зависимости от того. какой из командных нейронов активирован, возникает тот или иной вариант данного поведенческого акта. Командные нейроны сами образуют целые поля. Примером поля командных нейронов могут служить нейроны глубоких слоев передних бугров четверохолмия. Каждый такой нейрон характеризуется определенной моторной реакцией, разряжаясь перед совершением саккадического движения глаз определенной величины.

Командный нейрон оборонительного поведения обладает латентным пейсмекерным механизмом, который активируется под влиянием сильных раздражений посредством модуляторных нейронов. Хемочувствительная мембрана командного нейрона оборонительного поведения включает никотиновые и мускариновые холинорецепторы. Локальная аппликация ацетилхолина на отдельные локусы мембраны вызывает деполяризационные потенциалы, блокируемые тубокурарином или атропином соответственно. Кроме того, некоторые участки мембраны чувствительны к серотонину.

Детектором называется нейрон, избирательно настроенный на определенное значение параметра входного сигнала. Селективная настройка детектора осуществляется за счет фиксированной системы связей его с рецепторами или другими афферентными нейронами более низкого уровня. На детекторе сходится несколько каналов. По каждому каналу возбуждение поступает через синаптический контакт, эффективность которого фиксирована. Кодируемый параметр представлен набором детекторов таким образом, что каждому значению этого параметра соответствует определенный детектор из данного набора. При изменении данного параметра входного сигнала максимум возбуждения перемещается по набору детекторов. Нахождение максимума возбуждения на наборе детекторов служит кодом данного входа.

Предположение о группе синапсов, представляющих моносинаптическую связь детектора с командным нейроном, можно проверить, инъецируя одновременно в детектор и командный нейрон ионы разных металлов (обычно кобальта и никеля), позволяющих окрасить эти нейроны в разные цвета. Такой подход позволяет идентифицировать конкретный синапс и изучить его тонкую структуру и функцию (рис.13).

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

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

Сигналы, выделенные рецепторами, подвергаются анализу в нейронных сетях так, что отдельные нейроны выделяют дробные признаки. Разные параметры сигнала представлены возбуждением различных нейронов, и значит, анализ осуществляется посредством кодирования сигнала номером канала (Соколов,1981).

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

Механизмы научения

Энграммы памяти могут храниться в течение всей жизни, а доступ к ним утрачивается. Анализ случаев феноменальной памяти, проведенный А. Р. Лурия, показывает возможность безошибочного воспроизведения сложного бессвязного текста спустя 15 лет после его первоначального заучивания, что свидетельствует в пользу устойчивости следов памяти. Многие экспериментальные данные показывают, что можно говорить о существовании механизма памяти в виде непрерывной записи событий с одновременной отметкой времени каждого переживания. Обычно данные о процессах памяти получают на основе результатов воспроизведения. Однако, воспроизведению поддается в обычных условиях лишь часть этих “записей”, так как само воспроизведение ограничено возможностями считывания. Как же осуществляется обучение и память?

Исторически сложились два конфликтующих подхода к проблеме обучения. Эти подходы существуют вплоть до настоящего времени. Сетевой подход восходит к нейронной доктрине. В ней подчеркивается роль нейрона как функциональной единицы нервной системы и синапсам отводится решающая роль в хранении информации. “Полевой” подход восходит к гештальт-теории. Предполагается, что информация хранится в биоэлектрических полях, создаваемых аггрегированной активностью многих нейронов. В “полевой” гипотезе подчеркивался глобальный аспект нейронной активности, а индивидуальный вклад нейронов и специфика нейронных соединений игнорировалась совсем. С тех пор нейронаукой накоплен колоссальный фактический материал, который не обеспечивает безусловной эмпирической опоры ни для одной из этих концепций. На самом деле, все новые и новые открытия в области нейрогенетики, нейрохимии и нейрофизиологии еще только позволяют сформулировать вопросы, решение которых станет принципиальным для понимания механизмов обучения и памяти.

Следовые процессы

Развитие методов нейрофизиологического анализа работы нервных клеток позволило исследователям подойти к интерпретации явлений памяти. При изучении памяти на уровне отдельного нейрона следует иметь в виду, что термин “отдельный” относится к условиям микроэлектродного отведения. В реакциях изучаемого нейрона отражается сложное взаимодействие свойств нейронной сети и специфических особенностей данного элемента.

Привыкание. Привыкание является наиболее подробно изученной формой стимул-зависимого обучения. Его называют также негативным научением, поскольку эффект здесь состоит в том, чтобы научиться не реагировать на определенный стимул. Привыкание в той или иной степени присутствует в самых разных рефлексах. Степень его выраженности зависит от специфичности стимула, силы раздражения и состояния организма. В самом общем виде привыкание состоит в постепенном уменьшении амплитуды реакции в ходе повторений стимула. Преимуществом «негативного научения» при исследовании следовых процессов на уровне поведения и отдельного нейрона по сравнению с другими видами условных рефлексов является простота экспериментальной ситуации, сводящейся к многократному нанесению раздражителя.».

Отличие привыкания от утомления и истощения в том, что реакцию можно восстановить простым изменением стимула, предъявлением экстрастимула - любого стимула, отличающегося от ранее использованного по одному из параметров. Наиболее отчетливо привыкание выражено в системе ориентировочного рефлекса (или рефлекса “Что такое?” в терминологии И.П.Павлова). Исследование угашения разных компонентов ориентировочного рефлекса показало, что избирательность процесса угашения опосредована следом повторяющегося раздражителя - ”нервной моделью стимула”.

Основные параметры привыкания следующие:

1) При повторении стимула наблюдается снижение амплитуды вызываемого им ответа. 2) Чем чаще предъявление стимула, тем быстрее и отчетливее декремент.

3) На более слабый стимул декремент более отчетливый, на сильные стимулы привыкание возможно только незначительное. 4) Восстановление может быть продолжено при помощи повторной стимуляции даже в том случае, когда декремент выражен достаточно ярко, вплоть до полного уничтожения ответа. 5) Привыкание ответа на данный стимул может генерализоваться и показывать привыкание и к другим стимулам. 6) При прекращении стимуляции происходит спонтанное восстановление ответа. 7) Привыкание происходит быстрее при повторных предъявлениях и восстановлениях. 8) Предъявление сильного экстрастимула вызывает восстановление ответа (растормаживание). 9) При повторных использованиях эффективность экстрастимула снижается (Соколов,1969).

Ценность этих характеристик привыкания в том, что их можно применять и для простых нервных систем.

Поиск локализации нервной модели привел к разворачиванию работ на нейронном уровне. Где и в какой форме происходит фиксация параметров действующего стимула? Сначала эксперименты проводили на кроликах, регистрируя электрическую активность нейронов различных структур мозга экстраклеточными микроэлектродами, а затем, по мере углубления представлений о механизмах, участвующих в фиксации характеристик поступающего сигнала, стали выполнять опыты на водном моллюске Limnaea stagnalis (прудовике) и на сухопутном Helix pomatia (виноградной улитке). Ответ на вопрос о конкретных нейрофизиологических механизмах, участвующих в “запоминании” параметров действующего стимула, искали при помощи микроэлектродной регистрации внутриклеточных процессов, которые развивались в отдельных клетках во время привыкания, а затем и при более сложных формах обучения (Соколов,1969,1981).

Простые системы в исследованиях механизмов обучения

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

До опытов Е.Н.Соколова и его коллег в шестидесятые-семидесятые годы никто серьезно не изучал пластические свойства пейсмекерного потенциала нейрона, хотя многих исследователей привлекала эта необычная по своему генезу и функциям активность нервных клеток. Моделируя ситуацию привыкания на одной клетке при внутриклеточной регистрации ее электрической активности, Е.Н.Соколов, А.Л.Крылова и Г.Г.Аракелов получили феномен эндонейронального привыкания, в основе которого лежит пластичность пейсмекерного механизма. Электрофизиологические характеристики пейсмекерных потенциалов, их роль в организации поведения, участие в процессах памяти изучались на полуинтактных препаратах и полностью изолированных нейронах. Особенностью пейсмекерной активности является ее генетическая заданность, а многообразие проявлений пейсмекерной активности нейрона дает возможность подойти к исследованию проблемы нейрогенетических механизмов памяти. Результаты, полученные в опытах А.Л.Крыловой и Г.Г.Аракелова, сделали возможным предположение об эндонейрональной природе энграммы, формирующейся в процессе негативного обучения. В дальнейшем идеи об эндонейрональной природе пластичности пейсмекерных потенциалов были подтверждены в экспериментах на полностью изолированных нейронах виноградной улитки.

Детальное изучение внутриклеточных механизмов привыкания и ассоциативного обучения предполагает использование нейронов, позволяющих не только вводить в них микроэлектроды, но и локально апплицировать биологически активные вещества. Для проверки гипотезы о внутриклеточном механизме обучения важно получать изолированные нейроны. Всем этим условиям удовлетворяют гигантские нейроны моллюсков. В поведенческих опытах было показано, что у моллюсков можно выработать как привыкание, так и более сложные формы обучения. Однако, прежде чем описывать пластические изменения в идентифицированных нейронах моллюска, необходимо рассмотреть некоторые общие закономерности их развития.

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

Функция постсинаптических структур в процессах обучения и памяти с наибольшей наглядностью проявлялась в опытах на полностью изолированных нейронах - ввиду особенностей данной биологической модели все пластические изменения связаны только с соматическим отделом нейрона и часть из них имеет эндонейрональную локализацию. Например, в опытах на изолированных клетках работа синапса моделируется при помощи микроионофоретически наносимого в хемочувствительные участки мембраны нейромедиатора. Повторное нанесение медиатора в один и тот же локус может приводить к развитию десенситизации (постепенной потере чувствительности мембраны к действующему нейромедиатору) или сенситизации (повышению чувствительности к нейромедиатору) (рис.14).

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

8.3. Пластичность нейронов

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

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

Таким образом, ассоциативное обучение характеризуется том, что сигнал изменяет свое действие под влиянием последующего приспособительного эффекта. Такое обучение является эффект-зависимым. Существуют две формы ассоциативного эффект-зависимого обучения: классический павловский условный рефлекс и инструментальный условный рефлекс. В классическом павловском рефлексе безусловное подкрепление подается за условным сигналом независимо от того, как реагирует на этот сигнал животное. Инструментальный условный рефлекс состоит не в воспроизведении безусловной реакции, а в реализации такой реакции, которая позволяет достичь или избежать последующего безусловного раздражителя. Хотя с точки зрения процедуры эти рефлексы различны, их механизмы являются общими. Это позволяет рассматривать классический павловский условный рефлекс в качестве основной формы ассоциативного обучения.

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

Клеточные механизмы ассоциативного обучения. В основе нейрофизиологических исследований механизмов формирования ассоциативной связи лежит принцип конвергентного замыкания. Идея о конвергенции гетерогенных стимулов как принципе установления условного рефлекса была выдвинута Дж.Экклзом (1968). Он предположил существование центра конвергенции, который не имеет определенной локализации. На нейронах, входящих в состав этого центра, встречались условный и безусловный стимулы. На основе конвергенции на таком нейроне происходит формирование пространственно-временной структуры, которая затем передается на нейроны нижележащего уровня. Основу формирования следовых эффектов составляли явления типа посттетанической потенциации.

На иной основе построена концепция конвергентного замыкания П.К.Анохина (1968,1974). Сохранив принцип конвергенции стимулов гетерогенных модальностей на уровне нейрона как исходный механизм взаимодействия и интеграции, П.К.Анохин предположил, что особые свойства подкрепляющего фактора определяются специфическими химическими реакциями, которые он вызывает, и соответствующими молекулярными преобразованиями в пределах мембраны и цитоплазмы нейрона. Здесь происходит ассоциация эффектов условной и безусловной стимуляции с последующими выходами сложившейся интеграции на аксон в виде клеточного разряда. Местом сцепления двух действующих стимулов оказывается конкретный нейрон, а действие механизма ограничивается мембраной и цитоплазмой этой клетки.

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

Поиск нейросубстрата образования ассоциативных связей связан прежде всего с демонстрацией способности нейронов разных структур мозга позвоночных животных формировать специфические связи. Результаты показывают, что ассоциативное обучение не является свойством нейронов какой-то одной определенной структуры мозга. Это общее свойство, присущее нейронам всех структур, а может быть и вообще всем нейронам.Микроэлектродные исследования показали, что формирование ассоциативных связей происходит на всех уровнях мозга млекопитающих животных. Исследованы нейроны коры, ретикулярной формации, лимбических структур, нейроны стриапаллидарной системы, гипоталамуса. Эти результаты согласуются с представлениями об условном рефлексе как процессе, в котором участвуют все отделы мозга.

Внутриклеточные механизмы ассоциативного обучения. В процессе обучения у животных, стоящих на разных ступенях эволюции, реализуются общие принципы функционирования нервных клеток. Для идентификации механизма, лежащего в основе поведенческого акта, необходим анализ клеточных основ поведения, включая изучение нейронных сетей безусловного и условного рефлексов.

Многие исследователи склонны видеть объект подобных исследований в «простых системах», представленных беспозвоночными животными, в частности моллюсками. Опыты показывают, что долговременная ассоциативная память не является монополией позвоночных животных. Ассоциативное обучение наблюдается у планарий: после сочетания следующих друг за другом зрительного и вибрационного раздражений и электрического удара, вызывающего сокращение тела, животное начинает отвечать на одно зрительное или вибрационное раздражение. Условный рефлекс не вырабатывается, если условный и безусловный стимулы наносятся в случайном порядке. У одноклеточных, кишечнополостных и низших червей индивидуальная память формируется на основе привыкания, суммационных и простейших условных рефлексов. Истинные условные рефлексы появляются только у высших червей — полихет.

У моллюсков изучение ассоциативных ответов началось давно — первые исследования выполнены более 70 лет назад. За это время появилось множество работ о формировании ассоциативных связей на уровне поведения. Поведение, модифицируемое формированием обучения, у моллюсков очень разнообразно. Есть данные о том, что моллюски способны к прохождению Т- лабиринтов. Очень интересна возможность выработки условного ответа у моллюсков после одного сочетания стимулов.

Простор для изучения синаптических механизмов, составляющих основу образования временных связей, открылся при проведении опытов на крупных идентифицированных нейронах моллюсков. В основном эксперименты выполняются на полуинтактном препарате и препарате изолированной ЦНС моллюсков разных видов: аплизии, виноградной улитки, гермиссенды. Кроме попыток моделировать формирование условного ответа при воздействии на конкретный исследуемый нейрон электрической стимуляцией различных нервов, во многих работах используются природные стимулы.

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

В работах О. А. Максимовой и П. М. Балабана (1983) была исследована возможность выработки условного ответа в ситуации, доступной для электрофизиологических исследований. Регистрировалась электрическая внутриклеточная активность идентифицированных нейронов подглоточного комплекса ганглиев и церебральных ганглиев в сочетании с записью объективных показателей двигательной активности. С этой целью в качестве подкрепления (БС) применяли электрический ток, подаваемый через пищу, и электрод, прикасающийся к участку кожи на ноге улитки, условный стимул — пища. Сочетания пищи с током производили 1 раз в 10—15 мин. Электрическая стимуляция приводила к генерализованной оборонительной реакции, в том числе и к закрыванию дыхальца. Анализ изменений электрической активности идентифицированных нейронов позволил выявить динамику процессов следообразования у командных нейронов пищевого и оборонительного поведения виноградной улитки

Ассоциативное обучение изолированных нейронов. В опытах на изолированных нейронах виноградной улитки обнаружены клетки, у которых формирование следа памяти происходит во время ассоциативного обучения, так что после определенного числа сочетаний условного и безусловного стимула формируется энграмма, достигающая уровня актуализации по электрофизиологическим показателям (рис.15). Количество таких нейронов относительно невелико - менее 15 % от общего числа зарегистрированных в ситуации ассоциативного обучения (687 нейронов). Интересно, что ассоциативное обучение на изолированных нейронах возникало не только при сочетании нейромедиатора и электрического подкрепления (рис.15), но и при сочетании стимулов одной физической природы – например, двух внутриклеточных электрических стимулов (рис.16).

Более 80% клеток продемонстрировали феномен отсроченного обучения - он заключался в том, что во время предъявления ассоциированных стимулов ответ на “условный” или не изменялся или же ухудшался при любой частоте предъявления пары. Особенность заключалась в том, что увеличение ответа на “условный” стимул после обучения развивалось постепенно. Достижение максимальной величины ответа, которая зависит от числа предъявленных сочетаний и от количества проведенных циклов обучения, у разных клеток происходит через разное время. После выполнения первой серии, состоявшей из предъявления 15-20 пар ассоциированных стимулов, время достижения максимальной величины ответа на условный стимул составляло от 5 до 40 мин. Опыты на идентифицированных нейронах показали, что, независимо от вида ассоциируемых стимулов и от особенностей предъявления сочетаний, данный конкретный нейрон всегда обучается по одному и тому же способу - или во время обучения или отсрочено.

Это качество является его индивидуальной характеристикой в отношении данного вида обучения. (В опытах использовали ассоциации стимулов, адресованных различным структурам клетки - два внутриклеточных деполяризационных стимула, активирующих пейсмекерный механизм или электровозбудимые мембраны, две микроаппликации медиатора или микроаппликацию медиатора в комбинации с электрическим стимулом). По-видимому, в основе этого феномена лежат особенности внутриклеточных процессов, опосредующих ассоциативное обучение, и эти процессы различны по скорости их развития. Время сохранения следа памяти в состоянии наивысшей активности на изолированных нейронах не слишком велико - так, после выполнения первой серии у клеток, обучающихся во время предъявления ассоциированных стимулов, оно не превышает 20 мин, а у отсроченно обучающихся нейронов - 40 мин. Время достижения максимума ответа после выполнения второй и последующих серий обучения изменяется. У нейронов первой группы все события развиваются традиционно - при выполнении каждой следующей серии нужно все меньшее количество ассоциированных стимулов, а время сохранения следа на максимальном уровне актуализации возрастает (после выполнения 2-4 серий оно может достигать 90 минут). У нейронов же второй группы выполнение каждой следующей серии значительно продлевает время “жизни” следа - после второй серии оно может увеличиться в 2 раза - и, как ни удивительно, увеличивает время достижения максимальной активности следа памяти. Например, если след после первой серии достигал наиболее высокого уровня актуализации через 10 мин, то после второй или третьей оно увеличивалось до 30-40 мин. Кажется вероятным, что такие характеристики пластичности нейронов могут лежать в основе распределенности энграммы по популяции клеток, опосредующих конкретную форму поведения. Воспроизведение следа памяти через разное время после обучения происходит с различных нейронов, отличающихся временными характеристиками достижения максимальной активности, инициированной обучением.

Полученные результаты о различии времени достижения максимальной выраженности следа на разных нейронах заставляет предполагать, что в зависимости от времени, прошедшего после обучения, реализацию следа памяти осуществляют разные по своему составу нейронные ансамбли. Изменение элементов системы обеспечивает функциональную неоднородность энграммы, воспроизводимой через разное время после обучения.

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

Концепции клеточного обучения. Открытие двух различных принципов клеточного обучения (пре-постсинаптического и пре-модулирующего), каждому из которых присуща ассоциативность, позволяло предположить, что ассоциативные механизмы имплицитного и эксплицитного обучения не нуждаются в сложных нейронных сетях. Способность детектировать ассоциации, возможно, просто отражает какое-то неотъемлемое свойство некоторых клеточных взаимодействий.

В1963 году Л.Тауц и Э.Кендел сформулировали второй принцип ассоциативного обучения. Они обнаружили, что для усиления синаптической связи между двумя нейронами не требуется активности синаптической клетки, если на пресинаптическую клетку действует третий нейрон. Этот третий нейрон, названный модулирующим, повышает выделение нейромедиатора из терминалей (окончаний отростков) пресинаптичсского нейрона. Л.Тауц и Э.Кендел предположили, что такоймеханизм приобретет ассоциативность, если потенциалы действия пресинаптической и модулирующей клеток совпадают (пре-модулирующий ассоциативный механизм).

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

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

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

Почему при возникновении потенциалов действия в сенсорных нейронах непосредственно перед безусловным раздражением усиливается действие серотонина? Потенциалы действия вызывают в сенсорных нейронах ряд сдвигов. Они позволяют натрию и кальцию поступать в клетку, а калию — выходить из нее и изменяют мембранный потенциал нейрона. Оказавшись в клетке, кальций связывает белок кальмодулин, который усиливает активацию аденилатциклазы под действием серотонина. Когда комплекс кальция с кальмодулином связывается с аденилатциклазой, усиливается образование сАМР. Это свойство аденилатциклазы заставляет рассматривать ее как важный пункт конвергенции сигналов об условном и безусловном раздражителях.

Таким образом, условный и безусловный раздражители представлены внутри клетки конвергенцией двух различных сигналов (кальция и серотонина) на одном и том же ферменте. Интервал в 0,5 с между двумя раздражителями, существенный для возникновения условного рефлекса втягивания жабры, возможно, соответствует времени, в течение которого в пресинаптической терминали происходят увеличение содержания кальция и его связывание с кальмодулином, в результате чего возрастает активность аденилатциклазы и увеличивается образование с АМP в ответ на действие серотонина.

Как показали генетические исследования, феномен зависимой от активности стимуляции пути сАМP свойствен классическому условному рефлексу и у других видов животных. Обнаружены мутанты, у которых обучение нарушено. В результате мутации аденилатциклаза утрачивает способность активироваться комплексом кальция с кальмодулином. Исследования и на клеточном, и на генетическом уровне указывают на важность системы сАМР как вторичного мессенджера для некоторых простейших форм имплицитного обучения и памяти.

Эксперименты на животных — как Арlysia, так и млекопитающих — свидетельствуют о том, что сохранение результатов обучения осуществляется по стадиям. Первоначальное запоминание информации, представляющее собой форму кратковременной памяти, длится от нескольких минут до нескольких часов и сопровождается изменением силы предсуществующих синаптических связей (за счет описанных выше модификаций, опосредованных вторичными мессенджерами). Долговременные, длящиеся неделями и месяцами, изменения хранятся там же, но для них требуется активация и экспрессия генов, синтез соответствующих белков и рост нервных связей. Исследователи обнаружили, что у Арlуsia образование долговременных следов памяти при сенситизации и классическом условном рефлексе сопровождается увеличением числа пресинаптических терминалей. Сходные анатомические изменения развиваются после долговременной потенциации в гиппокампе.

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

Долговременная потенциация

Долговременная потенциация (LTP) – один из видов пластичности нервных клеток мозга. Сущность феномена в том, что после короткой высокочастотной стимуляции синаптического проводящего пути происходит увеличение эффективности синаптической передачи (рис.17 ). Оно сохраняется в течение нескольких часов (на препарате) или нескольких дней или недель (на целом организме),. LTP может быть вызвана многими способами, но наиболее распространенной техникой является использование высокочастотной тетанизации (10 залпов по 200 Hz в течение 75 мс при межпачечном интервале 10 с in vivo, или 100 Hz в течение 1 с повторенная 3 раза с 20 с интервалом in vivo). Эта модель часто применяется для экспериментального изучения клеточных механизмов обучения и памяти. Прямые доказательства способности синапсов мозга изменять эффективность под влиянием сильной повторяющейся стимуляции были получены Т.Блиссом и Т.Ломо (1973). Этот феномен наиболее интенсивно исследуется на гиппокампе. Но вообще LTP обнаружена во многих областях мозга и предполагается, что это один из механизмов, лежащих в основе некоторых форм обучения.

Каковы тонкие механизмы, обеспечивающие развитие LTP и LTD (длительная гетеросинаптическая депрессия)? Существенной для развития и поддержания гиппокампальной LTP in vivo и in vitro оказалась активация глютаматовых рецепторов- специфических белковых молекул, чувствительных к нейромедиатору глютамату. Хотя понимание клеточных механизмов нейронной пластичности и фармакологии обучения и памяти существенно продвинулось, все еще не хватает данных о том, чтобы сказать что LTP является субстратом для некоторых форм обучения. Однако кажется разумным утверждение, что найденные механизмы обеспечивает многие, но не все качества обучения при LTP и было бы интересно в дальнейших исследованиях приблизится к пониманию неразрешенных проблем.

* *

*

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

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

Дополнительная литература

Альбертс Б., Брейд Д. и др. Молекулярная биология клетки. М.,1994.

Греченко Т.Н. Психофизиология. Гардарика, 1999.

Данилова Н.Н. Психофизиология. Аспект Пресс, Москва,1998.

Окс Дж. Основы нейрофизиологии. М., Мир, 1974.

Пейсмекерный потенциал нейрона. ред.Е.Н.Соколов, Н.Н.Тавхелидзе,Тбилиси, Мецниереба, 1975, 215 с.

Основы психофизиологии. Ред.Ю.И.Александров. Питер, 2001.

Руководство по физиологии (Механизмы памяти)., Л., Наука, 1986.

Соколов Е.Н. Нейронные механизмы памяти и обучения. М., Hаука, 1981.

Соколов Е.Н. Механизмы памяти. Изд-во МГУ, 1969, 175 с.

Хрестоматия по анатомии центральной нервной системы, Москва. Российское Психологическое Общество, 1998.

ГЛАВА 2

РИТМЫ

Жизнь большинства организмов на Земле подчинена ритмам, которые видоизменяют их активность на протяжении суток, лунного месяца, года. Эти ритмы синхронизируются всевозможными ориентирами, такими как свет и темнота, приливы и отливы или смены времен года. За координацию взаимодействия адаптивных процессов организма с окружающей средой и за организацию этих процессов во времени ответственна центральная нервная система.

До середины 20 века предполагалось, что временная регуляция выполняется по типу “action-reaction”, как, например, цикл сна и бодрствования: темнота вызывает сон, а свет – пробуждение. Однако после того, как экспериментально было показано, что этот цикл сохраняется и и в условиях изоляции (люди, живущие в пещерах в течение нескольких недель или месяцев сохраняют циклы сна и бодрствования с периодичностью около 25 часов), возникло предположение о существовании биологических часов. Биологические часы – это механизмы, генерирующие циклы. Результатом их деятельности являются биологические ритмы. Механизм биологических часов генерирует циклы независимо от знаков, исходящих от окружающей среды. Циклические биологические процессы, присутствуют на всех уровнях организации живой системы. Их изучением занимается наука хронобиология. Исследователи пытаются выяснить какова функциональная организация ритма, где находятся структуры, задающие ритм (пейсмекеры), каков физиологический механизм их действия, какие клеточные и биохимические механизмы обеспечивают генерацию ритма в самих пейсмекерах.

При измерении показателей динамичности биологических процессов исследователи сталкиваются с двумя компонентами - ритмическим (выражением ”биологических часов”) и маскирующим, который обязательно присутствует. В настоящее время в нейронауке развилось много методов для изучения биологических ритмов и часов, включающих сложные компьютерные программы и статистический анализ для выявления ритмических компонентов поведенческой активности организма. Хронобиология выясняет как, когда и почему работа мозга и гормональная активность модулируются природными циклами.

Все ритмы - это генетически запрограммированные приобретения эволюции, которые позволяют организму адаптироваться к окружающей среде. Однако программа не есть нечто жесткое: она позволяет организмам реагировать на некоторые изменения внешних условий, в частности на колебания количества света, связанные с изменениями длины дня на протяжении года. Даже для людей цикл света и темноты - это эффективный фактор поддержания биологических ритмов по установленному образцу. У людей, изолированных от световых и социальных сигналов, биологические часы переходят на свободнотекущий ритм, и синхронность ритмов нарушается. Теперь известно, что независимо от внешних факторов, эти ритмы поддерживаются и внутренними ритмами, они запрограммированы генетически и находятся под контролем биологических часов.

Типы ритмов. Биоритмы обнаружены практически у всех живых существ: у одноклеточных и многоклеточных, у растений и бактерий (Рис.18). Известно, что эволюция органического мира шла по пути приспособления к изменяющимся условиям внешней среды, и биоритмы сыграли в этом приспособлении далеко не последнюю роль. Существует предположение о том, что в "первичном мире", в эпоху возникновения органических веществ из неорганических, именно колебательные процессы молекул и ионов различных растворов, которые происходят под влиянием электромагнитных излучений Галактики, привели к формированию волновых структур, ставших протобионтами. Упорядочение временной организации в биосистемах происходило в течение миллионов лет. Биоритмы эволюционировали вместе с организмом, приспосабливаясь к изменяющимся условиям внешней среды. Так, смена дня и ночи, связанная с осевым вращением Земли и происходящая в течение 14 часов, привела к формированию суточного ритма, а смена времен года, связанная с вращением Земли вокруг Солнца, - к сезонным ритмам.

Факторы, влияющие на ритмичность процессов, происходящих в живом органиэме, получили название синхронизаторов, или счетчиков времени. K внешним синхронизаторам относят смену света–темноты, шум, прием пищи, температурные условия, атмосферные явления, а для человека - и различные социальные факторы. Так как само явление ритмичности наследственно обусловлено, то ритмы, присущие организму от рождения, без воздействия окружающей среды, называются экзогенными. Следовательно, синхронизаторы несоздают ритма, они только формируют его. Характерным примером является формирование суточного ритма клеток обновления в тканях млекопитающих. В опытах на крысах показано, что в тканях плодов в период, внутриутробного развития существует суточный ритм клеточных делений по характеру сходный с таковыми у взрослых животных.

Ритмы можно подразделить по их собственным характеристикам (например, по длительности периода), по биологической системе, в которой наблюдается ритм, по роду процесса, порождающего ритм, по функции, которую ритм выполняет. Если ритмы классифицировать по длительности периодов, то можно выделить четыре циркаритма (лат.сirka - около). Их периоды в естественных условиях не меняются, так как они синхронны с циклами внешней среды. Циркаритмы выработались как приспособления к интервалам времени, порожденным периодичностью среды.

Ритмы с периодом примерно равным продолжительности суток называются циркадианными. Цикл сна и бодрствования у человека, суточные колебания температуры тела, концентрации гормонов, мочеотделения, спады и подъемы умственной и физической работоспособности – это все примеры циркадианных ритмов.

Циркадианный ритм позволяет людям, находящимся в Арктике, продолжать нормально жить в условиях арктического дня или арктической ночи. Но этот же ритм ответствен за расстройства, возникающие у людей, перелетевших на самолете с одного континента на другой; «внутренние часы» этих пассажиров полностью придут в соответствие с суточным ритмом жизни в их новом местонахождении лишь дней через десять. В одной из новых работ показано, что принадлежность человека к “совам” или “жаворонкам” зависит от даты рождения. Эксперименты показали, что среди студентов, родившихся осенью и зимой, обнаружено больше “жаворонков”, чем среди рожденных весной и летом. Циркадная система, при рождении подвергшаяся действию укороченного дня, предпочитает фазовое продвижение биологических часов (“жаворонки”), а увеличение фотопериода приводит к фазовому запаздыванию (“совы”).

Ритмы с периодом более суток называются инфрадианными, т. е. цикл повторяется меньше одного раза в сутки. Некоторые грызуны, например, ежегодно впадают в зимнюю спячку: при этом температура тела у них падает, и они на протяжении нескольких месяцев пребывают в состоянии полного покоя. Этот годичный цикл относится к инфрадианным ритмам. У цирканнуальных ритмов период близок к одному году. Эти ритмы позволяют различным животным программировать свою деятельность, связанную с размножением, миграцией или зимней спячкой. Ритмы с периодом меньше суток называются ультрадианными, частота их повторяемости больше одного раза в сутки. Цикличность фаз, чередующихся на протяжении 6-8-часового нормального сна у человека - один из многих примеров подобных ритмов.

У человека существуют также многодневные ритмы: физический с периодом в 23 дня, эмоциональный - 28 дней, интеллектуальный –23 дня. Кроме того, имеются ритмы с периодом в несколько лет и даже десятилетий. Эта ритмичность,по-видимому, сформировалась под влиянием природных явлений, которые происходили в биосфере, на Луне, Солнце, и Галактике. У человека описано более 100 биоритмов с периодом от долей секунды до сотен лет.

Ритмы с разными периодами могут быть различным образом взаимосвязаны. Хорошо известна модуляция ритма сердечных сокращений дыханием. Многие ультрадианные ритмы в часовом диапазоне модулируются по частоте на протяжении циркадного цикла. Циркадный ритм может в свою очередь зависеть от окологодового ритма.

Механизмы ритмов. В исследованиях механизмов и принципов организации биологических часов ясно просматриваются несколько методов. Одни основаны на изучении нейроанатомической организации мозга и особой роли некоторых структур в генерировании биологических ритмов, другие оперируют данными, полученными на различных препаратах – например, на срезах мозга высокоорганизованных животных или на нервных клетках моллюсков. Третьим методом является пересадка тканей. Наконец, четвертый метод опирается на данные нейрохимии и нейрогенетики.

Появившиеся описания анатомии циркадианной системы позволили экспериментально разрешить многие вопросы ее функциональной организации. Крошечное супрахиазменное ядро гипоталамуса играет центральную роль в ежедневном программировании организменных функций, регулирующих каждодневные осцилляции внутренней среды и их синхронизацию с циклами дня и ночи (разрушение этой области у крыс ведет к утрате ритма активности). Ежедневные ритмы зависят от супрахиазменных ядер, получающих входы о длине дня (уровне освещенности) от глаз, а об окружающей температуре от кожи. Супрахиазменные ядра переднего гипоталамуса позвоночных являются самыми изученными примерами часов, регулирующих циркадианный ритм (около 24 часов).

Эти биологические часы управляют ежедневной экспрессией функций витального гомеостаза, таких как пища, питье, температура тела и секреция нейрогормонов. Происходит согласование телесных функций в соответствии с около 24-часовым осцилляторным ритмом (циркадианным). Центральная роль супрахиазменных ядер в регуляции циркадного ритма млекопитающих подтверждена многими экспериментами как на уровне интактного организма, так и на различных препаратах. Например, исследователи изучали свойства нейронов супрахиазменного ядра на гипоталамических срезах мозга крыс (Gillette et al.,1999). В опытах использовали экстраклеточную регистрацию электрических свойств отдельных нейронов. Ансамбли нейронов ЦНС демонстрировали циркадные изменения спонтанной активности, мембранных потенциалов и чувствительности к фазовым регуляциям. По крайней мере в течение трех дней in vitro ЦНС генерировала осцилляции в ансамблях нейронов с около 24 часовым циклом. Ритм синусоидальный, с пиком активности, фазностью, появляющейся около полудня. В дополнение к этим электрофизиологическим изменениям ЦНС in vitro демонстрирует изменения чувствительности к попыткам искусственного сдвига пиков нейронной активности. Во время “дня” ЦНС проходила через периоды повышения чувствительности к цАМФ, серотонину, нейропептиду-Y, а затем к мелатонину в сумерках. В течение субъективной “ночи” чувствительность к глутамату, циклическому ГНФ, а затем к нейропептиду Y изменялась и сопровождалась вторым периодом повышения чувствительности к мелатонину на рассвете. По той причине, что ЦНС при сохранении in vitro находится в постоянных условиях и изолирована от афферентов, эти изменения могут генерироваться только часами ЦНС. Изменения чувствительности отражают лежащие в их основе временные домены, которые характеризуются особыми биохимическими и молекулярными взаимосвязями, происходящими в определенной последовательности в течение циркадианного цикла.

Ф.Штрумвассер (1963) обнаружил у некоторых нейронов наружного края глаза определенный ритм частоты импульсного разряда - она возрастает на свету и уменьшается в темноте. Если эти нейроны выделить, поместить в ванночку с морской водой и выдерживать в абсолютной темноте, то их импульсация останется такой же, как если бы они находились внутри живого организма. Очевидно, ритм этих нейронов, помогающий организму согласовывать суточные циклы питания и покоя со сменой дня и ночи, приливами и отливами, регулировался процессами, происходящими внутри самих нейронов. Но каковы эти процессы, пока еще не установлено, хотя ученые полагают, что существует какая-то связь между скоростью белкового синтеза в клетке и ее ритмом. Например, Р.Чаплейн (1976), экспериментируя на полностью изолированных нейронах аплизии, обнаружил зависимость между типом пейсмекерной активности нейрона и наличием определенного фермента.

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

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

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

Исследования in vitro показали, что небольшие изолированные участки нервной системы способны поддерживать циркадианные колебания. Не ясно, связана ли циркадианная периодичность с функцией отдельной клетки или же со взаимодействием нескольких клеток. Нейрофизиологические опыты на изолированных нейронах моллюсков позволили получить факты, показывающие, что эндогенная пейсмекерная активность идентифицированных нейронов может выполнять функцию искомых “колебателей”. Изоляция нейронов нервной системы моллюсков позволяет получить препараты, которые сохраняют присущий им в определенных условиях ритм генерации потенциалов действия после физического прерывания их связей с системой. Некоторые нейроны способны сохранять постоянный паттерн электрической активности в течение многих часов. Из опытов на изолированных нейронах-носителях “часов” организма, становится ясно, что генерация внутренних ритмов является функцией определенного класса нейронов (пейсмекеров), а ритм задается специализированными нервными клетками. Система реализует то, что должно развиваться на фоне генерируемого ритма.

В работах последних лет уделяется большое внимание молекулярным и биохимическим основам биологических ритмов. Например, у дрозофилы идентифицировано несколько генов, которые регулируют циркадианный ритм. Такие же гены были обнаружены потом у человека и мыши и это заставляет предполагать существование общего механизма регуляции биологических ритмов в царстве животных. Показано, что определенные виды протеинов являются ключевыми компонентами циркадной системы и у дрозофилы, и у млекопитающих. У дрозофилы они, по-видимому, ответственны за запуск циркадных ритмов изменениями светового-темнового цикла, а у млекопитающих они выполняют важную роль в генерации самого ритма. Для некоторых из этих генов и их продуктов у определенных клеток дрозофилы и мозга млекопитающих запускаются молекулярные осцилляторы. Опыты демонстрируют сложные взаимодействия между транскрибируемыми участками ДНК, синтезируемыми протеинами и циркадным ритмом.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ

Наше восприятие внешнего и внутреннего мира изменяется на протяжении дня в зависимости от уровня бодрствования. Исследования, выполненные с использованием регистрации электроэнцефалограммы (ЭЭГ), показывают, что для бодрствования, сна и промежуточных состояний типичны определенные ритмы мозга.

Электроэнцефалография (ЭЭГ) - техника для регистрации и анализа электрической активности мозга. Она включает усиление очень слабых электрических сигналов, отводимых от мозга, которые затем подвергаются компьютерной обработке и анализу. ЭЭГ делает возможным получение паттернов колебаний мозговой электрической активности. Чтобы зарегистрировать ЭЭГ, необходимо на коже головы расположить два электрода. ЭЭГ отражает динамику изменений разности потенциалов между процессами, отводимыми двумя электродами. Колебания потенциалов — это проявления фоновой активности мозга.

ЭЭГ нормального взрослого человека в состоянии покоя представлена ритмической активностью, известной как альфа-ритм (рис.19 ). Альфа-ритм - это более или менее регулярная электрическая активность мозга, частота которой от 8 до 12 Гц (Герц), а амплитуда от 5 до 100 мкВ. Она особенно ясно выражена в зрительных отделах мозга. У большинства людей альфа-ритм появляется, когда человек расслабляется и закрывает глаза. Когда человек возбужден или насторожен, альфа-волны замещаются низковольтными нерегулярными быстрыми колебаниями - бета-ритмом. Частота бета- ритма от 13 до 30 Гц, амплитуда до 20 мкВ. Еще более высокочастотная активность называется гамма-ритмом. Его частота от 30 до 100 Гц, а некоторые исследователи считают, что и еще более высокочастотная активность – до 200 и выше Гц – тоже является гамма-ритмом. Во время сна электрическая активность мозга представлена медленными колебаниями - дельта-ритмом (рис.19 ). Диапазон частот дельта-ритма от 0,5 до 4 Гц, а амплитуда до 200 мкВ.

Частотный спектр ЭЭГ изменяется в зависимости от функционального состояния, поэтому электроэнцефалография так необходима для его диагностики. ЭЭГ-ритмы изменяются под влиянием внутренних и внешних событий. Наиболее четким, выраженным в ЭЭГ эффектом, является депрессия альфа-ритма, когда человек открывает глаза или думает над задачей, которая требует определенных зрительных представлений. Определенные патологические состояния мозга также отражаются в изменении электроэнцефалограммы.

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

Функциональное состояние - это фоновая активность ЦНС, в условиях которой осуществляется та или иная деятельность. Изменение функционального состояния отражается не только в возбудимости головного мозга, но и в его реактивности и лабильности. Исследователями показана зависимость большого числа физиологических реакций - частоты пульса, величины кровяного давления, частоты и глубины дыхания, кожно-галванической реакции (КГР) и различных ЭЭГ-реакций, мышечного тонуса, скоростных характеристик двигательных ответов от изменения функционального состояния.

Механизмы регуляции функциональных состояний - это большое самостоятельное направление в нейронауке. В начале 1950 годов работы, проведенные Г.Моруцци и Х.Мэгуном, показали, что одной из наиболее важных областей для регуляции состояния бодрствования является внутренняя область варолиева моста и ствола мозга. Волокна этой области идут к ядрам таламуса, имеющим связи с корой. Ретикулярная формация моста и ствола мозга эффективно воздействует на кору больших полушарий. Электростимуляция ретикулярной формации моста возбуждает в коре активность, которая отражается на ЭЭГ. Повреждение моста ведет у животных к необратимому переходу в коматозное состояние. Перерезка, выполненная на уровне ретикулярной формации ствола мозга, приводит к феномену “спящего мозга”, который не может проснуться.

Сон - это функциональное состояние, с которым каждый из нас сталкивается ежедневно и совершенно естественно и который занимает треть всей нашей жизни. Он неизменно сопровождает жизнь всех представителей животного мира. В среднем наш организм функционирует с таким чередованием: 16 часов бодрствования, 8 часов сна. Известно, что этот 24-часовой с небольшими вариациями цикл управляется внутренним контролирующим механизмом - биологическими часами.

Характеру активности соответствуют и вегетативные ритмы, колебания отдельных показателей при этом очень велики. Так, температура тела летучей мыши в период бодрствования повышается на 20°, мышей — на 2°, обезьян — па 2—2,5о, кошек — на 1о, морских свинок — на 0,5°.

Виды сна. Сон - специфическое состояние нервной системы с характерными особенностями и циклами мозговой деятельности (рис.19). Человек засыпает не постепенно, а сразу - переход от состояния бодрствования к состоянию сна совершается мгновенно. Сейчас известно, что сон - не просто восстановительный период для организма, а главное то, что это не однородное состояние. Сон проходит различные стадии: за медленноволновым сном следует сон другого типа - парадоксальный. Эта последовательность повторяется в каждом из пяти циклов длительностью примерно по 90 минут, обычных во время нормального ночного сна.

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

По мере того как человек погружается в сон, ритмы сердца и дыхания замедляются, становясь все более равномерными. Даже если во сне сохраняется некоторый тонус мышц, в момент достижения стадии глубокого сна тело расслабляется, и организм, по-видимому, в максимальной степени восстанавливает физические силы. Однако некоторая реактивность сохраняется и во время сна; по-видимому, многие люди способны просыпаться в намеченный час или просто при произнесении их имени. “Медленный” сон в свою очередь подразделяется на несколько стадий, выделенных на основании изменений ЭЭГ и отличающихся по глубине. В первой стадии (дремоте) исчезает основной биоэлектрический ритм бодрствования — альфа-ритм. Он сменяется низкоамплитудными колебаниями различной частоты, вторая стадия (поверхностный сон) характеризуется регулярным появлением сонных веретен, в которых частота ЭЭГ от 12 до 14 Гц. третья и четвертая стадии объединяются под названием дельта-сна. Во время этих стадий на ЭЭГ постепенно увеличивается дельта-волн. В третьей стадии они занимают от 30 до 50% ЭЭГ, а в четвертой более 50%. Это наиболее глубокая стадия сна — чтобы разбудить из ее, нужны самые сильные звуковые раздражители. Во время медленного сна снижается мышечный тонус, становятся регулярными и урежаются дыхание н пульс, отсутствуют движения глаз. Во время дельта-сна регистрируется спонтанная кожно-гальваническая реакция (КГР). При пробуждении из медленного сна отчеты о сновидениях, как правило, отсутствуют, часто недооценивается длительность предшествующего сна и отрицается какая-либо психическая активность. Наконец, пятая - это стадия парадоксального сна.

Парадоксальный сон. В этой стадии деятельность мозга возрастает, как будто человек просыпается. Но на самом деле только глаза совершают быстрые движения под сомкнутыми веками (БДГ), а сам спящий в это время находится в полной неподвижности вследствие резкого падения мышечного тонуса. Впервые эти результаты были получены в опытах Е.Азеринского и Н.Клейтмана. Стадию БДГ-сна с быстрыми движениями глаз, называет также “парадоксальным” сном из-за наблюдаемого несоответствия между состоянием тела и активностью мозга. Во время стадии БДГ разбудить спящего очень трудно, но если это удается, то окажется, что как раз в это время он видел сон. Во время «быстрого» сна на ЭЭГ появляются быстрые низкоамплитудные ритмы, что делает эту фазу сна неотличимой по электроэнцефалографичсским проявлениям от активного бодрствования. Усиливается мозговой кровоток. Тонус мышц диафрагмы рта падает до нуля. Перечисленные физиологические изменения относятся к числу постоянных проявлений фазы быстрого сна, характерных для нее на всем протяжении.

Циклы сна. Весь ночной сон состоит из 4—5 циклов, каждый из которых начинается с первых стадий медленного сна и завершается быстрым сном. В двух первых циклах преобладает дельта-сон, а эпизоды быстрого сна относительно коротки. В последних циклах преобладает быстрый сон, а дельта-сон резко сокращен и может отсутствовать. Длительность цикла измеряется от начала медленного до завершения быстрого сна, у здоровых испытуемых она относительно стабильна и составляет 90—100 мин. Структура сна, процентное соотношение отдельных стадий, у здоровых лиц одинакового возраста со сходными личностными особенностями и пребывающих в одинаковых условиях более или менее сходна. 1-я стадия занимает в среднем 5—10% сна, 2-я — 40—50%, дельта-сон — 20— 25%, быстрый сон— 17—25%. Таким образом, экспериментально установлено, что каждый здоровый субъект каждую ночь 4—5 раз видит сновидения и «разглядывание» сновидений занимает в общей сложности от 1 до 1,5—2 ч.

Исследования показали, что после депривации в восстановительном сне компенсаторно увеличиваются именно те стадии, которые подавлялись. Следовательно, организм в них нуждается и старается при первой возможности восстановить дефицит.

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

Предполагается, что сон регулируется взаимодействием групп нейронов, находящихся в разных участках мозга, в том числе в ретикулярной формации, ядрах шва и голубом пятне. Ретикулярная формация - это особая структура внутри моста и верхней части мозгового ствола в пределах заднего мозга, которая играет важную роль в процессе пробуждения. Она представляет собой огромную сеть нейронов, большая часть которых имеет короткие аксоны, соединяющие между собой клетки этого образования. Расположено оно по всей длине ствола мозга, между ядрами черепно-мозговых нервов и длинных путей (эфферентных и афферентных), соединяющих полушария мозга со спинным мозгом. Функциональное назначений этого образования долго оставалось невыясненным.. Ядра шва, тоже находящиеся в осевой части заднего мозга, по-видимому, вызывают сон путем торможения ретикулярной формации. Серотонин, основной медиатор ядер шва, вероятно, и является фактором, который индуцирует сон. Недостаток серотонина заставляет животное бодрствовать. Но адреналин, с другой стороны, стимулирует пробуждение, а голубое пятно - одна такая область, содержащая норадреналин. При повреждении голубого пятна животные спят намного больше, чем обычно.

Нейронные механизмы функциональных состояний. Взгляд на ФС как на самостоятельное психофизиологическое явление ставит перед исследователями задачу изучения собственно нейрофизиологических механизмов обеспечения и регуляции ФС, в частности, уточняется значение и роль механизмов, регулирующих функциональные состояния, для деятельности мозга.

Наиболее значимым показателем функционального состояния является паттерн электрической активности нейрона. Эксперименты, выполненные методом внутриклеточной регистрации, показывают, что паттерн отражает соотношение натриевой и кальциевой проницаемости мембраны, является существенной характеристикой селективного каналообразования (рис.20), а потому и функциональных возможностей нейрона.

Дополнительная литература

Биологические ритмы (в 2-х томах), М., Мир., 1984.

Данилова Н.Н. Психофизиология. Аспект Пресс, 1998.

Ротенберг В.С., Аршавский В.С. Поисковая активность и адаптация. М., Наука, 1984.

Сифр М. В безднах земли. М., Мир, 1982.

Соколов Е.Н. Нейрофизиологические механизмы сознания. Ж. ВНД, 1990, т.40, №6, с.1049-1052.

Шевченко Д.Г. Основы психофизиологии. Инфра-М, 1997.

ГЛАВА 3

ПСИХОФИЗИОЛОГИЯ ЗРИТЕЛЬНОГО ВОСПРИЯТИЯ

По сравнению с другими органами чувств у человека наиболее развито зрение. Сравнивая зрение человека со зрением других животных, мы обнаруживаем сходство в действии основных механизмов, но находим и множество различий. Экспериментальные исследования, которые выполняются на нейронном уровне, позволяют нам заглянуть как бы внутрь специализированных мозговых структур человека, которые обеспечивают формирование видимого нами мира. Роль зрения в жизни людей и животных огромна.

Строение глаза. Глаз насекомого состоит из множества отдельных фасеток (рис.21). Позади каждой фасеточной линзы (роговичной) расположена вторая линза (цилиндрическая), сквозь которую проходит свет, достигая светочувствительного элемента, содержащего обычно семь клеток, сгруппированных в мельчайшую, похожую на цветок гроздь. Каждая законченная единица фасеточного глаза известна под названием “омматидий” (рис. 21 ). Наши глаза - это типичные глаза позвоночных, и они не самые сложные и не самые высоко организованные, хотя человеческий мозг — наиболее совершенный в животном мире.

Вполне развившийся человеческий глаз представляет собой шарообразное тело, образуемое несколькими оболочками (рис.22). Наружной оболочкой глазного яблока является твердая белковая оболочка - склера. Эта белая, почти непрозрачная нерастягивающаяся соединительно-тканная оболочка обеспечивает глазу сохранение его формы и защищает внутренние части его о внешних воздействий. В передней части глазного яблока склера переходит в более изогнутую и прозрачную роговую оболочку (согпеа). Роговица — особая ткань, не снабжающаяся кровью.

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

Хрусталик. Хотя хрусталик не является критической структурой, необходимой для формирования изображения в глазу человека, он играет важную роль в аккомодации. Радиус кривизны хрусталика уменьшается при взгляде на близкие предметы. Хрусталик состоит из тонких слоев наподобие луковицы; он подвешен с помощью особой мембраны, которая поддерживает его в состоянии натяжения. При взгляде на близко расположенные предметы мембрана уменьшает степень натяжения хрусталика, благодаря чему его форма сразу же становится более выпуклой; это уменьшение натяжения достигаются в результате сокращения цилиарной мышцы.

Радужная оболочка. Она представляет собой кольцеобразную мышцу, создающую зрачок, через который свет проникает в хрусталик, расположенный непосредственно позади зрачка. Эта мышца сокращается чтобы уменьшить отверстие зрачка при ярком свете а также в тех случаях, когда глаза конвергируют, чтобы увидеть близкие предметы. Другая мышца управляет фокусировкой хрусталика. Отверстие зрачка, имеющееся в середине радужной оболочки, играет в глазе роль диафрагмы как в фотографическом аппарате. Благодаря действию мышц радужной оболочки отверстие зрачка может делаться уже или шире. Радужная оболочка пигментирована, в ней встречается широкий набор цветов. Окрашенный пигмент создает цвет глаз. Она должна быть достаточно светонепроницаемой, чтобы служить эффективной преградой перед хрусталиком. Глаза, лишенные пигмента (альбинизм), плохо приспособлены к яркому свету.

Зрачок. Это — отверстие, образованное радужной оболочкой, через которое свет проходит к хрусталику, а затем к сетчатке уже в качестве изображения. Человеческий зрачок круглый, однако существуют зрачки разнообразной формы, причем круглая форма принадлежит к числу довольно редких. По-видимому, зрачок сокращается для того, чтобы ограничить поток света в центральную и оптически наилучшую часть хрусталика; полное расширение зрачка необходимо для максимального увеличения чувствительности глаза. Сокращение зрачка происходит также при взгляде на близкие предметы, что увеличивает глубину поля для этих предметов.

Сетчатка. Сетчатка - структура, преобразующая свет в нервные сигналы. Это часть мозга, отделившаяся от него на ранних стадиях развития, но связанная с ним посредством зрительного нерва. Она состоит из трех слоев тел нервных клеток, разделенных двумя слоями синапсов, образованных аксонами и дендритами клеток (рис.23 ).

Два места сетчатки заслуживают особого упоминания. Первое - это место вхождения зрительного нерва в глазное яблоко. На нем нет ни палочек, ни колбочек, и мы им ничего не видим. Поэтому оно и называется слепым пятном сетчатки. Слепое пятно имеет овальную форму с более длинным вертикальным диаметром. По горизонтали оно занимает около 1,3 -1,8 мм, чему соответствует угол около 6—6,5°.

Второе особое место на сетчатке - это фовеа (желтое пятно). Число палочек и колбочек различно в разных частях сетчатки: в самом центре, где возможность различения тонких деталей максимальна, есть только колбочки. Это и есть фовеа. В середине желтого пятна в сетчатке имеется углубление. Диаметр его -- около 0,4 мм или в угловых величинах около 1,7°. Эту лишенную палочек зону длиной примерно полмиллиметра называют центральной ямкой. В ней обнаружены только колбочки. (В области центральной ямки каждая колбочка соединена с отдельной биполярной клеткой и, может быть, с отдельной ганглиозной клеткой).

Слой клеток на задней поверхности сетчатки содержит светочувствительные рецепторы — палочки и колбочки (рис.23 ). Палочек значительно больше, чем колбочек. Они ответственны за наше зрение при слабом свете и отключаются при ярком освещении. Колбочки не реагируют на слабый свет. Они ответственны за способность видеть тонкие детали и за цветовое зрение. Дневное зрение, осуществляемое с помощью колбочкового аппарата сетчатки, обозначается как «фотопическое», в то время как восприятие оттенков серого палочковым аппаратом при тусклом освещении называется “cкотопическим». Стоит попытаться представить себе размеры фоторецепторов. Самые маленькие из фоторецепторов величиной в 1 мкм, что равно приблизительно двойной длине волны красного света.

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

Средний слой сетчатки, расположенный между палочками и колбочками, содержит нервные элементы трех видов: биполярные, горизонтальные и амакриновые клетки. Биполярные клетки имеют входы от рецепторов и многие из них передают сигналы непосредственно ганглиозным клеткам. Горизонтальные клетки соединяют рецепторы и биполярные клетки связями, идущими параллельно сетчаточным слоям; амакриновые клетки связывают биполярные клетки с ганглиозными (рис.23 ).

Слой на передней стороне сетчатки содержит ганглиозные клетки, аксоны которых проходят по поверхности сетчатки, собираются в пучок, образуют на выходе слепое пятно на сетчатке, лишенное рецепторов, и покидают глаз. Аксоны ганглиозных клеток формируют зрительный нерв. В каждой сетчатке около 125 миллионов палочек и колбочек, но всего 1 миллион ганглиозных клеток.

Существует два пути информационного потока через сетчатку: прямой путь, идущий от фоторецепторов к биполярным и далее к ганглиозным клеткам, и непрямой путь, при котором между рецепторам биполярами могут быть включены еще горизонтальные клетки, а между биполярами и ганглиозными клетками — амакриновые клетки. Особенность прямого пути в том, что одна биполярная клетка имеет входы лишь от одного рецептора или от сравнительно небольшого их числа, одна ганглиозная клетка — от одного или сравнительно немногих биполяров. Непрямой путь более диффузен, благодаря широким боковым связям. Общая площадь, занятая рецепторами, связанными с одной ганглиозной клеткой по прямому и непрямому путям, составляет всего около миллиметра. Эта зона является рецептивным полем ганглиозной клетки - областью сетчатки, световая стимуляция которой может влиять на импульсацию данной ганглиозной клетки.

Фоторецепторы. Палочки и колбочки различаются во многих отношениях: палочки чувствительны к очень слабому свету, колбочки требуют намного более яркого освещения (рис.24). Как палочки, так и колбочки содержат светочувствительные пигменты. Пигмент – это вещество, которое поглощает часть падающего на него света и отражает остальную часть. Каждая палочка или колбочка в сетчатке содержит пигмент, поглощающий в каком-то участке спектра лучше, чем в других. Зрительный пигмент при поглощении им светового фотона изменяет свою молекулярную форму и при этом высвобождает энергию, запуская таким образом цепь химических реакций, которые в приводят к появлению электрического сигнала и к выделению химического медиатора в синапсе. Предмет видится окрашенным. если некоторые спектральные компоненты в диапазоне видимого света поглощаются лучше, чем другие. Цвет зависит не только от длины волны, но и от распределения между разными участками спектра и от свойств нашей зрительной системы. В этих явлениях участвуют как физика, так и биология.

В палочках пигмент один и тот же; колбочки делятся на три типа, каждый со своим особым зрительным пигментом. Эти четыре пигмента чувствительны к различным длинам световых волн, и в случае колбочек эти различия составляют основу цветового зрения. Палочковый пигмент родопсин обладает наибольшей чувствительностью в области около 510 нм, в зеленой части спектра. Пигменты колбочек трех типов имеют пики поглощения в области 430, 530 и 560 нм и называются эритролаб, цианолаб и хлоролаб (поэтому разные колбочки называют соответственно “cиними”, “зелеными” и “красными”). Эти названия отражают максимумы чувствительности.

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

Под воздействием света в рецепторах происходит процесс, названныйвыцветанием. В этом процессе молекула зрительного пигмента поглощаетфотон — единичный квант видимого света — и это приводит к ее химическому превращению в другое соединение, хуже поглощающее свет. Практически у всех животных, от насекомых до человека, и даже у некоторых бактерий этот рецепторный пигмент состоит из белка, к которому присоединена небольшая молекула, близкая по структуре витамину А - она и представляет собой химически трансформируемую часть молекулы пигмента.

Электрические ответы фотоэлементов. Микроэлектродные исследования показали, что потенциал покоя рецептора равен примерно -50 мВ (милливольт). При освещении сетчатки мембрана гиперполяризовалась и потенциал возрастал. Свет, гиперполяризуя мембрану, уменьшает выделение медиатора. Оказалось, что стимуляция выключает рецепторы. Отсутствие стимуляции (темнота) приводит к активации рецепторов, они деполяризуются, а деполяризация вызывает непрерывное высвобождение медиатора из окончаний аксонов.

Каким образом выцветание всего одной молекулы зрительного пигмента под действием одного фотона может привести в палочке к измеримому изменению мембранного потенциала. Гиперполяризация на свету вызывается перекрытием потока ионов. В темноте часть рецепторной мембраны более проницаема для ионов натрия, чем остальная мембраны. Ионы натрия непрерывно входят здесь в клетку, а где-то в другом месте ионы калия выходят наружу. Он вызывает деполяризацию покоящегося рецептора и тем самым — его постоянную активность. В результате выцветания зрительного пигмента на свету поры для натрия закрываются, темновой ток уменьшается и степень деполяризации мембраны становится меньше - клетка гиперполяризуется и ее активность ослабевает.

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

Биполярные и горизонтальные клетки Все сигналы, возникающие в рецепторе и поступающие к ганглиозным клеткам, должны пройти через биполярные клетки. Они входят в состав как прямых, так и непрямых путей. Горизонтальные клетки входят только в непрямые пути. Горизонтальные клетки встречаются намного реже биполярных, которые в целом преобладают в среднем слое.

Горизонтальные клетки посылает по направлению к рецепторам единственный дендрит. Он или образует синапс с одним рецептором (всегда с колбочкой), или расщепляется на веточки, синаптически контактирующие более чем содним рецептором.

Биполярные клетки, подобно рецепторам и горизонтльным клеткам, не генерируют импульсов, но здесь будут рассматриваться оn-ответы (реакция активации на включение стимула), подразумевая деполяризацию в ответ на световой стимул и соответственно усиление выделения медиатора в выходных синапсах, и оff-ответы (реакция активации на выключение стимула), подразумевая гиперполяризацию и уменьшение выброса медиатора. У биполяров с оff-ответами входные синапсы должны быть возбуждающими, поскольку сами рецеторы выключаются (гиперполяризуются) светом; у биполяров с оп-ответами входные синапсы должны быть тормозными. Рецепторы активны в темноте, а свет, вызывает гиперполяризацию и уменьшает их активность, Если синапс возбуждающий, то рецептор активируется в темноте, а инактивируется на свету; если же синапс тормозный, биполяр в темноте тормозится, а свет, выключая рецептор, снимает это торможение, т. е. биполярная клетка активируется. Является ли рецепторно-биполярный синапс возбуждающим или тормозным, зависит либо от выделяемого рецептором медиатора, либо от типа каналов в постсинаптической мембране биполярной клетки. В настоящее время есть много данных в пользу того, что биполяры двух типов имеют различные рецепторы.

Горизонтальные клетки важны потому, что они составляют ту часть непрямого пути, о которой больше всего известно. Это крупные клетки, и в нервной системе они принадлежат к числу самых странных. Их отростки тесно контактируют с окончаниями многих фоторецепторов, распределенных по площади, размеры которой велики по сравнению с участком, непосредственно связанным с одиночной биполярной клеткой. Каждый рецептор контактирует с обоими типами клеток второго порядка — биполярными и горизонтальными. Их самое необычное свойство, общее с амакриновыми клетками, — это отсутствие типичного аксона. Отростки, отходящие от тел горизонтальных и амакриновых клеток, могут выполнять функции как аксонов, так и дендритов.

Есть высокая вероятность того, что синапсы, образуемые горизонтальными клетками с рецепторами, с бидирекциональной передачей. Ясно, что рецепторы доставляют информацию горизонтальным клеткам через возбуждающие синапсы, поскольку в большинстве случаев горизонтальные клетки, подобно рецепторам, гиперполяризуются (выключаются) светом. Горизонтальные клетки получают входные сигналы от рецепторов. Их выход пока точно неизвестен, но он направлен или к рецепторам, или к биполярным клеткам,или к тем и другим. Там, где горизонтальные клетки непосредственно контактируют с биполярами, синапсы, передающие информацию on-биполярам, должны быть возбуждающими (ввиду тормозящего влияния на периферию), а к оff-биполярам — тормозными. Если же влияние осуществляется через рецепторы, синапсы должны быть тормозными.

Амакриновые клетки Эти клетки удивительно разнообразны по форме и используют необычно большое число нейромедиаторов, которых идентифицировано более двадцати. Амакриновые клетки имеют ряд особенностей. Их тела расположены в среднем слое сетчатки, а отростки — в синаптической зоне, который идет за этим слоем и ганглиозными клетками. Они образуют связи с биполярными, и с ганглиозными клетками и таким образом создают между ними альтернативный, непрямой путь. И, наконец, у них нет аксонов, но зато их дендриты способны к образованию пресинаптических окончаний на других клетках. Амакриновые клетки выполняют много различных функций, большей частью неизвестных.

Ганглиозные клетки В 1976 года удалось внутриклеточно зарегистрировать реакции ганглиозных клеток кошки. Они были идентифицированы как клетки с оп- или оff-ответами, затем через микроэлектрод ввели вещество, окрашивающее все дендритное дерево. Сравнив разветвления дендритов у клеток двух типов, исследователи увидели четкое различие: две совокупности дендритов оканчивались на двух отдельны субслоях в пределах синаптической зоны между средним слоем и слоем ганглиозных клеток. Дендриты клеток с оff-ответом всегда оканчивались ближе к среднему слою сетчатки, а дендриты клеток с оп-ответом — дальше от него. К тому времени в другой работе ужебыло показано, что биполярные клетки двух классов, образующие с рецепторами синапсы разной формы, отличаются также и расположением своих аксонных окончаний: у одних аксоны оканчиваются там, где кончаются дендриты ганглиозных клеток с оп-цетром, а у других — там, где кончаются дендриты клеток с оff-ответом. Таки образом, стало возможным реконструировать весь путь от рецепторов к ганглиозным клеткам для обеих систем — с оп-и с оff-ответами. В результате был установлен неожиданный факт: на прямом пути именно система с оff-ответами имеет возуждающие синапсы на каждом уровне — от рецепторов к биполярам и от биполяров к ганглиозным клеткам, тогда как в системе с оп-ответами синапсы между рецепторами и биполярами тормозные.

Тормозное взаимодействие в элементах сетчатки. Существование столь разветвленных и сложных синаптических связей на уровне элементов сетчатки дает возможность осуществлять тонкие процессы, которые лежат в основе обработки сигналов, уже в начале пути зрительной информации к высшим отделам мозга.

Взаимодействие возбуждающих и тормозных влияний, осуществляющееся с помощью связей между элементами сетчатки, приводит к такимособенностям распределения активности в зрительном нерве, которыене являются простыми и непосредственными копиями внешнего образа.Из огромного количества деталей временного и пространственного распределения освещения на мозаике рецепторов сетчатки отбирается определенная важная информация. Эта информация усиливается за счет менее важной информации и лишь после этого передается в центральную нервную систему.

К числу наиболее важных особенностей распределения освещенияотносятся места перехода от одной интенсивности к другой и от одногоцвета к другому. Исследователями описан механизм нервной интеграции, участвующий в обнаружении и усилении таких контуров. На глазе Limulus рассмотрено тормозное взаимодействие среди элементов сетчатки.

Боковой глаз Limulus представляет собой сложный глаз, содержащий около 1000 омматитидиев (рис.21 ). Нервные волокна отходят от омматидиев в виде небольших пучков и образует зрительный нерв. Сплетение нервных волокон связывает эти пучки сразу же за слоем омматидиев. Каждый омматидий содержит около дюжины клеток: пучок клиновидных ретинулярных клеток и один биполярный нейрон — эксцентрическую клетку. Аксоны сильно ветвятся, образуя сплетение латеральных связей.

Было обнаружено, что в рецепторных клетках глаза Limulus частота импульсов связана приблизительно логарифмической зависимостью с интенсивностью света. Сенсорные элементы глаза Limulus существенное влияют друг на друга через сплетение латеральных связей. Это влияние чисто тормозное. Частота разряда импульсов в волокне зрительного нерва, отходящем от данного омматидия, понижается, а иногда эти разряды совсем исчезают при освещении соседних областей глаза.

Показано, что степень торможения, о которой судят по понижению частоты разряда, зависит от интенсивности освещения, от площади и конфигурации изображения на сетчатке. Чем больше интенсивность освещения соседних рецепторов, тем сильнее тормозное действие, оказываемое ими на исследуемый рецептор; чем больше число освещенных соседних рецепторов, тем сильнее торможение исследуемого рецептора; освещение рецепторов, расположенных в непосредственной близости к исследуемому рецептору, приводит к более сильному торможению, чем освещение удаленных рецепторов.



Pages:   || 2 | 3 |
Похожие работы:

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ УТВЕРЖДАЮ: Государственное общеобразовательное казенное учреждение / Г.С. Коваленко/ Иркутской области для детей сирот и детей, директор оставшихся без попечения родителей "Специальная коррекционная "10" сентяб...»

«Управление образования администрации Сергачского района Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение Сергачская средняя общеобразовательная школа № 6 Секция "Окружающий мир" "Удивительный крахмал"Работу выполнила: Буслаева Дарья, 10 летНаучный руков...»

«Муниципальное общеобразовательное учреждение "Средняя общеобразовательная школа № 11" Воскресенского муниципального района Московской области УТВЕРЖДЕНА приказом от 01.09.2016г. № 72-01 Рабочая программа учебного п...»

«Муниципальное образовательное автономное учреждение дополнительного образования детей Детская школа искусств с. ВозжаевкаРАССМОТРЕНО на заседании педагогического совета и рекомендовано для использования Протокол № "" г. УТВЕРЖДАЮ Директор МОАУ ДОД ДШИ с.Возжаевка А.А. Ильиных Приказ № _ от "_" г.ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ПРЕДПРОФЕСС...»

«МКОУ "Специальная (коррекционная) общеобразовательная школа" СОГЛАСОВАНО УТВЕРЖДАЮ Замдиректора по УВР Директор школы _ М.В.Измайлова М.В.Кузнецова "" 2016 г. "" _ 2016 г. Рабочая программа психологической ра...»

«МИНОБРНАУКИ РОССИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема" Кафедра изобразительного искусства и дизайна Утверждено зав. кафедрой _ "_" 20 г. 2.1.3. Программа производственной (преддипломной) пра...»

«Российская Федерация Курганская область Каргапольский район Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение "Тагильская средняя общеобразовательная школа"Рассмотрена: педагогическим советом МКОУ "Тагильская СОШ" п...»

«Управление образования администрации Чебулинского муниципального района муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение "Михайловская районная вечерняя (сменная) общеобразовательная школа" Рассмотрено на заседании педагогического совета протокол 1 от "_"августа 2017 г. Согласовано:Замест...»

«Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа с.Городня Конаковского района Тверской области Урок литературы в 9 классе "Тема Родины в лирике Сергея Есенина"Подготовила: учитель русского языка и литературы МБОУ СОШ с.Городня Еремина Лариса Викторовна, первая квалификационная категория...»

«Конспект образовательной деятельности ( театрализованная экскурсия)"ПУТЕШЕСТВИЕ ПО ЗИМНЕМУ ЦАРСТВУ" в подготовительной группе (подготовила воспитатель Скакун В.В) Цель. Способствовать уточнению и обобщению представления детей о зиме, о красоте зимних явлений природы, о зимующих птица...»

«00Предвыборная программа кандидата на пост президента Школьной демократической республики "Фемида" ученицы 11 класса МБОУ СОШ № 29 города Георгиевска Ивановой Галины Цель:создание максимально благоприятных условий для раскрыти...»

«Муниципальное общеобразовательное учреждение Дмитриево Помряскинская средняя школа муниципального образования "Старомайнский район" Ульяновской области Протокол ШМО учителей начальных классов от 25.08.2015 го...»

«Бюджетное профессиональное образовательное учреждение Омской области "Саргатский индустриально педагогический колледж" Имя моей улицы Воспитательный час Заведующий библиотекой БПОУ "Саргатский индустриально-педагогический колледж" Герасимова Людмила Николаевна Саргатское 2016 г. Пояснительная записка...»

«ОТЧЁТ ЗА 2013 – 2014 ГОД развития художественных способностей учащихся План отчёта. Наблюдение за развитием творческих способностей обучающихся и фиксирование достигаемых результатов (диаграммы). Обобщение результатов (количество дипломантов) Анализ и оценка до...»

«Lesson 17"Школа. школьные принадлежности" Цель: создать условия для овладения учащимися графического отображения буквы Pp и знаков транскрипции, а также умений использования в речи изученного лексического и грамматичес...»

«Муниципальное общеобразовательное бюджетное учреждение "Сясьстройская средняя общеобразовательная школа №2" Волховского района Ленинградской области Организация проектной деятельности шестиклассников на уроках математики (Методическое пособие) Деркач Ольга Ивановна, учитель математики специалист высшей катег...»

«Вопросы по педиатрии Нормативная документация детской поликлиники (основные приказы, правила ведения паспорта участка, ф.112, ф26, ф63,ф.58). Анатомо-физиологические особенности органов и систем де...»

«Утренник, посвященный Дню Учителя. Зал украшен разноцветными шарами, кленовыми листьями, большими пятёрками. Перед началом праздника звучат мелодии и песни о школеВедущий: Здравствуйте! Сегодня мы собрались, чтобы поздравить наших учителей с их профессиональным праздником – Днем Учителя!!! Этот праздник в нашей стране и по всему миру от...»

«Сценарий игры по музыке "Времена года" для старшеклассников Учитель: Соколова Л. А., МБОУ "Патракеевская ОШ" Оборудование: листы для жюри, листы с заданиями для игроков, жетоны, презентация, фонограммы. Вступит...»

«Проект " Профессии наших родителей" Проектная деятельность для детей и взрослых является ярким и интересным, развивающим и значимым методом. Это связано с тем, что проектирование становится универсальным инструментом, который позволяет обеспечить системность...»









 
2018 www.el.z-pdf.ru - «Библиотека бесплатных материалов - онлайн документы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 2-3 рабочих дней удалим его.