3.1. Физиологические механизмы образования условных рефлексов
В основе механизма образования условных рефлексов лежит процесс замыкания временной связи.
Временная связь - это совокупность биохимических, нейрофизиологических и ультраструктурных изменений мозга, возникающих в процессе сочетания условного и безусловного раздражителей и формирующих строго определенные взаимоотношения между различными мозговыми механизмами.
Механизм памяти фиксирует эти взаимоотношения, обеспечивая их сохранение и воспроизведение.

3.1.1. Локализация временных связей
И.П.Павлов считал, что временные связи образуются в коре больших полушарий головного мозга между тем пунктом, который воспринимает условный раздражитель, и корковым представительством безусловного рефлекса. Представления Павлова о существовании корковых представительств безусловных рефлексов были подтверждены экспериментально П.С.Купаловым и Э.А.Асратяном: после экстирпации коры безусловнорефлекторная деятельность резко изменяется.
Условный раздражитель не является абсолютно индифферентным, а вызывает ориентировочный рефлекс (тоже безусловный). Поэтому при сочетании "индифферентного" условного раздражителя и безусловного образуется временная связь между корковыми представительствами двух безусловных рефлексов. Т.е. образование условного рефлекса - это синтез двух различных безусловных рефлексов. Это доказывается возможностью образования двусторонних временных связей при сочетании двух типичных безусловных рефлексов, например, пищевого и оборонительного. Так, на подачу пищи, которая служит условным сигналом, собака отвечает сгибанием конечности (которую раздражали током), а на электрокожное раздражение лапы, которое подкрепляют пищей, отвечает выделением слюны. То есть каждый из безусловных раздражителей становится сигналом для условного рефлекса. На основе опытов с экстирпацией различных структур мозга. И.П.Павлов пришел к выводу, что нет в больших полушариях таких специфических структур, которые отвечают за выработку условных рефлексов. Однако он подчеркивал, что ведущим органом в образовании временных связей является кора, вероятно, потому, что наиболее развита у высших животных. Но он не отрицал возможности образования временных связей у животных с более низким уровнем развития ЦНС и на уровне подкорковых ядер, подчеркивая примитивность таких рефлексов.
Н.Ю.Беленков показал принципиальную возможность замыкания временной связи в подкорковых структурах мозга у декортицированных животных.
Однако эти рефлексы очень медленно образуются, образовавшись, остаются весьма нечеткими и, кроме того, очень трудно тормозятся.
Участие подкорковых структур в образовании условных рефлексов доказывается опытами с разобщением друг от друга участков коры. Разрез по всей толще коры полушарий, разобщающий друг от друга корковое представительство рефлексов, не препятствует осуществлению ранее образованного условного рефлекса и выработке нового.
Так как в каждой зоне коры, наряду с афферентными, имеется большое число эфферентных путей, по которым осуществляется связь с подкорковыми структурами, то некоторые физиологи (А.Б.Коган) высказывают предположение, что временные связи могут замыкаться между афферентными и эфферентными элементами одной и той же зоны.
Условный рефлекс - сложный многоканальный замыкательный процесс, который характеризуется формированием горизонтально и вертикально направленных временных связей, охватывающих как корковые, так и подкорковые структуры. При выработке условных рефлексов характерная для них нейрональная электрическая активность регистрируется не только в соответствующих клетках коры, но и во множестве глубинных образований мозга - в ретикулярной формации (раньше, чем в клетках коры), ядрах гипоталамуса, таламуса, миндалины, гиппокампа и полосатом теле. В процессе выработки рефлексов складываются функционально и пространственно корково-подкорковые системы интеграции.
Кора больших полушарий мозга человека и высших животных имеет решающее значение в формировании большинства условных рефлексов, обеспечивая их совершенство и приспособительные качества. Подкорковые структуры оказывают активирующее влияние на кору, участвуют в замыкании временных связей, необходимых для построения более совершенных элементов условного рефлекса на высшем уровне. В осуществлении вегетативных и интероцептивных рефлексов подкорковые структуры играют большую роль, чем кора, в то время как в поведенческих реакциях основное значение принадлежит коре. Рефлекс не фиксирован в мозговых структурах, а может перемещаться с одного уровня на другой, из коры в подкорку в зависимости от прочности и частоты повторения.
3.1.2. Физиологические основы замыкания временной связи.
Конвергентная теория
И.П.Павлов считал, что замыкание временной связи осуществляется вследствие встречной иррадиации возбуждения из двух совозбужденных участков мозга: корковой проекции условного сигнала и коркового представительства безусловного рефлекса. Происходит как бы условнорефлекторное проторение пути (банунг-рефлекс). При этом И.П.Павлов полагал, что физиологический механизм этого процесса подобен доминанте А.А.Ухтомского. Под влиянием биологически более значимого безусловного раздражителя в коре образуется более сильный очаг возбуждения (доминирующий), поскольку его возбудимость повышена сформированной потребностью и мотивацией, который и притягивает к себе, в соответствии с теорией доминанты, возбуждение, возникшее в корковой проекции условного раздражителя. Это положение экспериментально подтвердил В.С.Русинов. Он проводил опыты с искусственно создаваемым очагом повышенной возбудимости (поляризацией анодом слабого постоянного тока или локальным воздействием слабого раствора стрихнина). Благодаря этому кортикальные пункты, например, какой-нибудь конечности животного, становились доминантными. При этом действием любого раздражителя (света, звука и др.) можно было вызвать движение этой конечности. И по современным представлениям в основе схождения импульсов к одному участку преобладающего текущего действия - доминанте (по А.А.Ухтомскому) - лежит фундаментальный закон о работе нервной системы - закон конвергенции, сформулированный впервые Ч.Шеррингтоном как принцип общего пути для многочисленных импульсов из многочисленных источников рецепции к одному эфферентному нейрону (благодаря тому, что афферентных нейронов гораздо больше, чем эфферентных) - принцип статической, морфологической конвергенции. Принцип доминанты Ухтомского - это представление о подвижной физиологической конвергенции по отношению к доминирующему очагу. Это явление и имеет место при образовании временной связи по П.К.Анохину - конвергенция гетеросенсорных возбуждений от сочетаемых раздражителей к одним и тем же нейронам. Практически любой участок мозга может включаться в реакцию на любой стимул благодаря наличию полисенсорных нейронов. Эта особенность строения головного мозга является основной для обеспечения надежности его работы. Реакция на любой раздражитель обеспечивается совокупностью нейронов, расположенных на разных уровнях ЦНС и образующих определенную функциональную систему. Микроэлектродные исследования показали, что до применения сочетаний двух раздражителей в ответ на каждый из них формируется две системы нейронов. На нижележащих уровнях рецепцию этих раздражителей осуществляют разные нейроны. Но чем выше передается возбуждение, тем все больше нервных элементов реагирует на оба раздражителя. На уровне коры большинство нейронов входит в состав обеих функциональных систем. Так образуется нелокализуемый центр конвергенции, где “сходятся” условный и безусловный раздражители. Их взаимодействие завершается формированием пространственно-временной структуры импульсных разрядов (Дж.Экклс, 1953).
То есть происходит формирование и закрепление временной связи благодаря 2-м следующим гипотетическим механизмам: 1- механизму реверберации возбуждений по замкнутым цепям нейронов; 2 - механизму посттетанической потенциации синапсов.
В соответствии с реверберационной теорией Лоренте-де-Но (1934) потоки импульсов возбуждения могут совершать круговые движения по замкнутым цепям нейронов (реверберировать), что и может привести к формированию функциональной взаимосвязи между нейронами. Эта теория подтверждается существованием в 5-м слое коры гигантских пирамидных клеток, которые имеют коллатерали в своих аксонах, поднимающиеся в верхние слои коры и заканчивающиеся возле вставочных нейронов 2-го и 3-го слоев. По этим путям импульсы могут от пирамидных клеток частично возвращаться назад и через вставочные нейроны повторно возбуждать пирамидные клетки. Предполагается, что выход на коллатерали аксонов происходит при повышении возбудимости нейронов, когда происходит слияние двух потоков импульсов при сочетании раздражителей. Особенно важное значение имеют лобные доли коры, имеющие замкнутые нейронные круги типа "ловушек", и теменная кора, снабженная механизмом таламокортикальной реверберации. Однако трудно представить, чтобы реверберационный механизм мог поддерживать длительное сохранение временной связи. По-видимому, он имеет значение лишь на первых этапах формирования условного рефлекса.
Вследствие реверберации возбуждений происходит синаптическая посттетаническая потенциация, заключающаяся в повышении эффективности синапсов и сенсибилизации - увеличении реактивности нейронов (способности отвечать на раздражение). Способность нейронов изменять реактивность, как в сторону ее повышения (сенсибилизация), так и понижения (привыкание - пресинаптическая депрессия медиатора), называется пластичностью, которая и лежит в основе их “обучения” при замыкании или размыкании временной связи.
Как показали исследования Дж.Экклса, синапс после возбуждения сохраняет след посттетанического облегчения в течение нескольких часов. В связи с тем, что один нейрон головного мозга имеет синаптические контакты с 10 тысячами других нейронов, то возникающие изменения на нейроне могут многократно возрастать. Эффективность проведения в синапсе возрастает. Кроме того, увеличение эффективности синаптического проведения ритмического возбуждения синапсов может быть связано с изменением структуры синаптического аппарата. Аксошипиковые контакты - наиболее пластическое соединение между нейронами, т.к. "шипики" на корковых нейронах могут увеличиваться или уменьшаться в зависимости от функционального состояния (С.А.Саркисов, Дж.Экклс, А.С.Батуев).
Набухание, увеличение диаметра шипиков при ритмическом возбуждении сближает пре- и постсинаптические мембраны, уменьшает сопротивление мембраны и может способствовать формированию временной связи между нейронами. Этому способствует наличие в ножке шипика контрактильного аппарата в форме молекул актомиозина. Их активация возникает при освобождении ионов кальция из депо в головке шипика при действии медиаторов на постсинаптическую мембрану (А.С.Батуев). Противоположные изменения (сморщивание синапсов) были установлены при длительном неиспользовании этих структур (явление транснейрональной дегенерации), ведущем к размыканию временной связи.
Таким образом, конвергенция, реверберация возбуждений и потенциация синапсов - цепь динамических процессов, связывающих интеграцию в пространстве (обусловленную конвергенцией) с интеграцией во времени (обусловленную потенциацией).
В целом, формирование временной связи сопряжено с различными структурно-функциональными изменениями на уровне клеток, на уровне межнейронных отношений и отношений между нервными центрами. На уровне клеток отмечаются синаптические преобразования, а именно - эффективности синапсов, и мембранные - реактивности и пластичности. Межнейронные отношения составляют механизм формирования доминанты на основе констилляции (объединения) нервных центров путем усвоения ритма и темпа возбуждений в них (по А.А.Ухтомскому) или благодаря пространственной синхронизации потенциалов (по М.Н.Ливанову).
Существует и современная теория о распределенных системах мозга Маунткасла (1981), которая базируется на 3 постулатах:
1. Основные структуры мозга построены на основе повторения одинаковых структурных единиц - модулей.
2. Связи между основными образованиями мозга многочисленны, избирательны и специфичны.
3. Каждая подгруппа модулей соединена своей системой связей с такими же подгруппами в других отделах мозга - в своем и другом полушариях, образуя распределенные системы.
Нейрофизиологические механизмы сборки обширных нейронных объединений объясняются теорией церебрального обучения Дж.Экклса. В основе этого обучения лежат процессы реверберации возбуждений между группами модулей и таламокорковой реверберации, активирующей касательные синапсы на шипиках апикальных дендритов пирамидных нейронов V слоя. Апикальные дендриты, в свою очередь, образуют в I и II слоях касательные синапсы с проходящими горизонтально аксонами ассоциативных и комиссуральных путей. Образующаяся таким образом структура составляет матрицу обучения и памяти. В распределенных системах различают жесткие связи (анатомические) и гибкие (функциональные), формирующиеся по вероятностно-статистическому принципу (по Н.П.Бехтеревой).

3.2. Память и ее механизмы
Память - это свойство нервной системы накапливать и сохранять в закодированном виде информацию, которая при определенных условиях может быть выведена из этой системы без нарушения свойств и характера записи. Научение и память неразрывно связаны.

3.2.1. Биологическое значение памяти и информационная емкость человеческого мозга
Научение и память имеют неоценимое значение для адаптации поведения живого организма к окружающей среде. Без способности к научению и памяти ни отдельная особь, ни вид в целом не могли бы выжить, поскольку в этом случае было бы невозможно как планировать и совершать целесообразные действия, так и преднамеренно избегать ошибок.
Общая информационная емкость памяти человеческого мозга составляет 3´108 бит. Если учесть, что поток сознательно воспринимаемой информации от всех сенсорных систем не превышает 50 бит/с, а в среднем он составляет 20 бит/с (при спокойном чтении 40 бит/с, при умственных расчетах - 12 бит/с и при счете - 3 бит/с), то за 70 лет жизни при длительности каждого активного дня в 16 часов общее поступление информации составляет 3´1010 бит. Это в 100 раз больше, чем информационная емкость мозга.
Следовательно, из всей информации долговременная память должна отобрать лишь 1%.

3.2.2. Виды памяти
Различают несколько видов памяти человека: по характеру памятных следов и времени их сохранения.
Все виды памяти проявляются в 2-х формах: логически-смысловой (оперирующей понятиями) и чувственно-образной: зрительной, слуховой, вкусовой, обонятельной, двигательной (оперирующей представлениями).
По характеру запоминания различают память образную, условнорефлекторную и эмоциональную (по И.С.Беритову). Кроме того, память может быть произвольной и непроизвольной по способу ее запоминания и воспроизведения памятных следов (энграмм).
Образная память - запечатление образа привлекательного или вредного раздражителя. Она лежит в основе научения (для животных и человека).
Эмоциональная память - способность воспроизводить пережитое ранее эмоциональное состояние в комплексе с элементами вызвавшей его ситуации и субъективным отношением к ней. У людей она представлена двумя формами: истинной и абстрагированной.
Истинная - воспроизведение чувственного состояния. Абстрагированная - интеллектуальное воспоминание, сохраняющее ту или иную аффективную окраску.
Эмоциональная память имеет особенности: отсутствие модальности, быстрота формирования, прочность сохранения и непроизвольность воспроизведения. Имеет чрезвычайно важное значение в отношениях между людьми и в быстром и прочном запоминании информации. В патологии расстройства эмоциональной памяти вызывает многие фобии, неврозы (травматические), наркомании, алкоголизм.
Условнорефлекторная память - является основной формой хранения информации у всех позвоночных.
По длительности хранения различают память кратковременную и долговременную. Кратковременная включает сенсорную, длящуюся всего доли секунды, и первичную, длительностью несколько секунд. Долговременная память включает вторичную память (от нескольких минут до нескольких лет) и третичную, длящуюся всю жизнь.

3.2.3. Временная организация памяти
В сенсорной памяти автоматически задерживаются (не более 500 мс) чувственные сигналы для их анализа и оценки, а затем они либо забываются, либо направляются на дальнейшую обработку. Процесс забывания при этом начинается сразу после поступления информации и продолжается достаточно равномерно в течение 150 мс.
После электрического ответа рецепторной клетки на внешнее раздражение возникают следовые процессы, продолжающиеся при отсутствии реального раздражителя. Они составляют основу сенсорной памяти, которая не зависит от воли человека и не подвержена сознательному контролю, отличается высокой информативностью, полнотой признаков и свойств. Поскольку 90% всей информации, получаемой человеком, поступает через зрительный анализатор, очень важный компонент запоминания составляет сенсорная память в сетчатке глаза, т.н. иконическая память. Длительность ее хранения не превышает 500 мс, а стирание следа осуществляется за 150 мс. Значение этой памяти заключается в обеспечении анализаторных структур мозга возможностью выделения отдельных признаков и свойств сигнала, распознавания образа.
Кроме сенсорной, кратковременная память включает память первичную.
Первичная память отвечает за временное хранение (лишь несколько секунд) информации, закодированной словесно (вербальная память), которая задерживается здесь в порядке ее поступления. То есть забывание здесь происходит в результате поступления новой информации. Информация невербальная не задерживается в первичной памяти, а сразу переходит из сенсорной памяти во вторичную. Вероятность перехода информации во вторичную память зависит от длительности и частоты ее повторения (консолидация памяти).
Вторичная память характеризуется большой емкостью и длитель­ностью (от нескольких минут до нескольких лет). Отбор информации здесь происходит по ее значимости. Только информация (вербальная и невербальная), прошедшая через вторичную память, может быть извлечена через большой промежуток времени. Забывание на уровне этой памяти связано либо с влиянием на запоминание уже имеющейся информации (проактивная интерференция), либо вновь поступающей (ретроактивная интерференция).
Третичная память отвечает за хранение наиболее значимой информации: персональных данных, навыка к чтению и письму, других повседневных и профессиональных данных. Здесь эти данные закрепляются в результате многолетней практики и никогда не изглаживаются, а извлекаются чрезвычайно быстро. Вторичная и третичная память составляют долговременную память.

3.2.4. Механизмы кратковременной памяти
Большинство исследователей полагают, что в основе кратковременной памяти лежат электрофизиологические механизмы, связанные с реверберацией импульсации по замкнутой цепи нейронов, а также повышение синаптической проводимости.
Так, в опытах на крысах применение электроконвульсивного шока в пределах первых 60 с после выработки условного рефлекса пассивного избегания болевого воздействия вызывает четкую ретроградную амнезию (потерю памяти), а электроконвульсивный шок спустя более 1 мин после выработки условного рефлекса не имеет амнестического эффекта.
Ретроградная амнезия после действия шока может быть объясне­на глубоким нарушением процессов реверберации и невозможностью образования памятного следа на основе структурных изменений.
Обосновывает возможность реверберационных процессов открытие в корковых нейронах аксональных коллатералей (И.С.Беритов), замкнутых нейронных кругов типа "ловушек", в которых импульсный поток может реверберировать, пока не будет переключен на эфферентные корковые модули из крупных пирамидных клеток (характерные для лобных и теменных долей коры - пирамидные клетки V-VI слоев ко­ры). Теменная кора участвует в процессах кратковременной памяти путем таламокорковой реверберации, в которую включены как сенсорные, так и гностические (обучаемые) клетки. В составе замкнутых нейронных цепей участвуют тормозные интернейроны, которые способствуют более длительному поддержанию циркулирующей активности.
Реверберирующее возбуждение на нейронах гиппокампа может продолжаться до нескольких часов. В спинном мозгу, где возможна лишь весьма короткая тетаническая импульсация, не обнаружено способности к фиксации следов памяти.
Реверберация возбуждения приводит к синаптической потенциации, стойким изменениям синаптической проводимости в результате конформационных перестроек макромолекул, перемещений ионов (повышения калиевой проводимости), кратковременных метаболических сдвигов, динамики медиаторов на синаптическом и синаптосомальном уровне.

3.2.5. Механизмы долговременной памяти
Механизмы долговременной памяти иные по сравнению с кратковременной памятью, но они включаются как следствие процессов, ее формирующих.
Основная гипотеза долговременной памяти базируется на признаниии того, что фиксация следа памяти связана со стойкими изменниями синаптической проводимости в пределах определенного нейронного ансамбля (по Д.О.Хеббу - обучающиеся популяции, ансамбли), а также со сложными процессами синтеза белка в нейронах.
В основе долговременной памяти лежат сложные структурно-химические преобразования на системном и клеточном уровне головного мозга. Эти преобразования сосредоточены в синапсе, в участке межнейронных взаимодействий, а также на уровне генома клетки.
На синаптическом уровне обнаружено увеличение количества постсинаптических рецепторов - холинорецепторов, глутамат-рецепторов, возможно, и других - серотонинэргических, адренергических. При этом указывается либо на синтез новых молекул рецепторных белков, либо демаскировку и активацию уже существующих. Так, по представлению Г.Линча и М.Бодри, повторная импульсация в нейроне сопровождается увеличением кальция в постсинаптической мембране, активацией кальций-зависимой протеиназы, которая расщепляет один из маскирующих белков глутаматрецепторов. С возрастанием количества глутаматрецепторов повышается проводимость синапса.
Установлено повышение чувствительности кортикальных нейронов к различным медиаторам в процессе обучения:
- к ацетилхолину, что облегчает обучение, фиксацию и извлечение памятных следов;
- к серотонину, что ускоряет обучение с пищевым подкреплением;
- к норадреналину, что ускоряет обучение с электрокожным подкреплением; а также к другим медиаторам - гамма-аминомасляной кислоте, глутаминовой кислоте.
На уровне генома возникают изменения в синтезе информационных макромолекул (нуклеиновых кислот и белков). Есть 2 группы гипотез. Согласно одной группе гипотез, обучение и память связаны с кодированием приобретенных форм поведения в информационных макромолекулах (в структуре РНК), в частности, специфических белках-коннекторах (to connect - соединять). Так, Унгар (1971) вырабатывал у крыс темновой стресс путем электрического их раздражения в темноте, в которой крысы наиболее и предпочтительно активны, - скотофобию. Из мозга животных со скотофобией он выделил пентапептид (из 15 аминокислот), который после его введения необученным животным вызывал у них скотофобию. Белок был назван скотофобином.
Механизмы переноса памяти объясняются иммунологической гипотезой И.П.Ашмарина (1975), по которой происходит следующее. После прохождения рециркулирующих импульсов через синапс синтезируются специфические белки - антигены - на постсинаптической мембране.
Их избыток выходит в околосинаптическое пространство и вызывает размножение клеток-астроцитов и образование антител. Последние специфически взаимодействуют с постсинаптической мембраной тех же нейронов и облегчают проводимость в соответствующих синапсах.
На основании другой группы гипотез в процессе фиксации долговременной памяти происходит синтез специфических белков нервной клетки (кондукторов), способствующих функционально-структурному объединению нейронов, представляющему энграмму памяти.
Основные опыты были проведены на пептидных гормонах гипоталамо-гипофизарного происхождения или их фрагментах - коротких цепочках аминокислотных остатков. Так, у животных с генетическим дефицитом вазопрессина и нарушением памяти при введении им дополнительных количеств этого гормона обнаружили ее улучшение. Наоборот, окситоцин нарушает сохранение выработанных рефлексов.
Опиатные пептиды - эндорфины и энкефалины замедляют угашение условных рефлексов. Известно также участие в процессах формирования и сохранения условно-рефлекторной памяти вещества Р, ангиотензина-II, различных фрагментов АКТГ.
Полагают, что большинство нейропептидов регулируют память посредством взаимодействия с медиаторами. Поэтому их называют белками - модуляторами, или белками-кондукторами (to conduct - командовать). Белки-кондукторы появляются в синапсе вместе с медиаторами, выделяясь из разных или тех же везикул, а также поступая из постсинаптосомы в качестве "обратных посредников", и воздействуют на чувствительность рецепторов к медиаторам, увеличивая скорость передачи информации в синапсе. Кроме того, нейропептиды-"обратные посредники" участвуют в "объемной передаче" информации, диффундируя к другим синапсам и увеличивая там возбудимость рецепторных мембран.

Last modified: Friday, 3 January 2020, 10:34 AM