Изменения электрической активности мозга собак при формировании условных оборонительных рефлексов на этапе генерализации

Ранее уже подчеркивалось, что представление о многоуровневой организации условного рефлекса и полианализаторном его обеспечении не оставляет никакого сомнения, что в формировании рефлекса участвуют не только анализаторы, вступающие во временную связь. В этот процесс включаются и кортикальные и субкортикальные структуры, принадлежащие к самым различным системам мозга. В связи с этим встает вопрос о значении взаимодействия процессов возбуждения, вызываемых с анализаторов, объединяющихся во временную связь, на уровне каждого мозгового образования, которое может быть изучено электрофизиологическим способом.

Как известно, изучение электрографических показателей условной реакции началось с исследований 30-40-х годов (Durup, Fessard, 1935; Loomis и сотр., 1936; Jasper, Cruikshank, 1937; Travis, Egan, 1938; Jasper, Shagass, 1941; И. С. Беритов и А. Воробьев, 1943); они показали возможность условнорефлекторного воспроизведения реакции депрессии альфа-ритма у человека. Были изучены электрические реакции коры, сопровождающие сочетание звука со светом, изменения ЭЭГ при оборонительных рефлексах, рефлексах, выработанных по речедвигательной методике, и др. В дальнейшем эти наблюдения детализировали (В. А. Кожевников и А. М. Марусева, 1949; Г. В. Гершуни, 1949, 1955; Popov, 1949; В. Е. Майорчик и Б. Г. Спирин, 1951; В. Е. Майорчик, В. С. Русинов и Г. Д. Кузнецова, 1954; Popov, Popov, 1954; Popov, 1955; Т. М. Мохова, 1956; Jus, Jus, 1959а, b; Е. Н. Семеновская и сотр., 1958; А. Гасто, А. Роже, 1958, и др.).

Применение метода электроэнцефалографии в исследованиях высшей нервной деятельности животных было впервые предпринято в лаборатории П. К. Анохина И. И. Лаптевым (1941, 1947, 1949) на собаках и М. Н. Ливановым с сотр. (М. Н. Ливанов, К. Л. Поляков, 1945; М. Н. Ливанов, Т. А. Королькова, 1948; М. Н. Ливанов, А. М. Рябиновская, 1947; М. Н. Ливанов и сотр., 1951; М. Н. Ливанов, Г. М. Френкель, 1951) на кроликах.

С самого начала условнорефлекторных электрофизиологических исследований выяснилось, что условный сигнал вызывает эффект генерализованной десинхронизации корковых потенциалов, длящийся в течение всего периода действия раздражителя, а также в период его последействия. Последнее касается как непрерывных, так и прерывистых стимулов (Durup, Fessard, 1935; И. С. Беритов, А. Воробьев, 1943; Г. В. Гершуни, 1949; И. И. Лаптев, 1941; М. Н. Ливанов и К. Л. Поляков, 1945; М. Н. Ливанов и сотр., 1951; В. В. Артемьев, Н. И. Безладнова, 1952; Р. Н. Лурье и сотр., 1956; Sharpless, Jasper, 1956; Chow и сотр., 1957; А. И. Ройтбак, 1958, 1960, 1962; Р. С. Мнухина, 1958, 1960, 1961; О. В. Верзилова, 1958; Morrell, 1957; Ф. Моррелл, 1958а, б: Gastaut и сотр., 1957; А. Гасто, А. Роже, 1958; Л. Г. Трофимов, Н. Н. Любимов, 1960; А. Б. Коган, 1960, и мн. др.). Если непрерывный условный раздражитель (звуковой) сочетается с ритмическим подкреплением (световым), то условнорефлекторный ответ также выражается на первом этапе формирования этой реакции в эффекте генерализованной десинхронизации (Morrell, 1957; Morrell, Naquet, 1956; Morrell и сотр., 1957; Yoshii, Hockaday, 1958; Bergel и сотр., 1959; Morrell и сотр., 1960; Р. А. Павлыгина, В. С. Русинов, 1960; Р. А. Павлыгина, 1960; Г. Н. Болдырева, 1961; Г. Н. Болдырева, В. С. Русинов, 1962, и др.).

В стадии генерализации рефлекса условный раздражитель вызывает и длительные изменения постоянного потенциала, также носящие на этой стадии генерализованный характер (Т. Б. Швец, 1960). Генерализованный характер процессов в начальный период формирования условного рефлекса выявился и при анализе вызванных ответов, появляющихся на включение непрерывных и при действии прерывистых условных сигналов.

М. Н. Ливанов и К. А. Поляков (1945) первыми обратили внимание на то, что при сочетании изоритмических световых и болевых раздражений у кролика наступает усвоение ритма условного раздражения во всех зонах коры мозга. О. В. Верзилова (1955), Jouvet, Hernandez-Peon П955), Р. С. Мнухина (1958, 1960, 1961), Majkowsky (1958), Ван Тай-Ань и Н. И. Незлина (1963) и другие подтвердили наблюдения М. Н. Ливанова и сотрудников на других объектах (кошках, собаках и обезьянах). Они также показали распространение навязанных ритмов вплоть до сенсомоторной зоны коры. К моменту появления моторной условной оборонительной реакции на изоритмические раздражения у кроликов происходит усвоение ритма раздражения сначала в верхних, а затем и нижних этажах корь, зрительного и двигательного анализаторов (И. Н. Книпст. 1955, 1958).

Усвоение ритма условного раздражения происходит не только корковыми, но и подкорковыми образованиями, которые очень широко включаются в этот процесс (Yoshii и сотр., 1956; Н. Иошии и сотр., 1958б, 1960; Galambos и сотр., 1956; Г. В. Мегун, 1958; Hearst и сотр., 1960; Marsh и сотр., 1961; McAdam и сотр., 1961, и др.).

Если условный раздражитель не является ритмическим, то его включение также сопровождается появлением вызванных ответов, локализующихся не только в сигнальном анализаторе. Так, по данным В. В. Артемьева и Н. И. Безладновой (1952), выработка условных оборонительных рефлексов на непрерывный звук у кошек проходит, вслед за периодом десинхронизированной активности и плохо выраженных первичных ответов в слуховой зоне коры мозга, период (40-80 сочетаний), когда восстанавливалась регулярность ответов на начало действия условного сигнала. В сенсомоторной зоне коры к этому времени появляются вызванные потенциалы, следующие с латентным периодом, даже более коротким, чем в слуховой области.

Уже отмечалось, что исследования электрических процессов корковых и субкортикальных структур показали, что иррадиация ответов на действие ритмического раздражения может наблюдаться и при изолированном действии раздражителя, но при повторении этого воздействия происходит постепенное снижение амплитуды ответов (привыкание). Угасшие реакции легко восстанавливаются при изменении условий эксперимента или при сочетании предварительно угашенного стимула с каким-либо подкреплением (пищевым или оборонительным) и опять становятся широко иррадиированными. Потенциалы, вызываемые условными сигналами в первичной проекционной зоне сигнального анализатора, обычно бывают несколько больше по величине, чем те, которые провоцируются в коре этими же стимулами до образования на них рефлекса (В. В. Артемьев и Н. И. Безладнова, 1952, и др.). В тех случаях, когда раздражение до выработки рефлекса является подпороговым, то, становясь сигналом условной реакции, оно сопровождается ритмическими ответами (В. Н. Думенко, 1955а, б; Л. Я. Голубева, 1958; Ван Тай-Ань, Н. И. Незлина, 1963).

То же явление происходит и с вызванными ответами в подкорковых ядрах. Так, Galambos и сотр. (1956), Hearst и сотр., (1960), Marsh и сотр., (1961) и другие показали, что у кошек и обезьян сразу после однократного совпадения сигнала с болевым подкреплением происходит увеличение вызванных ответов как в слуховой зоне коры и кохлеарных ядрах, так и в таких образованиях, как гиппокамп, хвостатое ядро, перегородка, лимбическая кора и другие. Эти наблюдения были подтверждены и другими авторами (Г. В. Мегун, 1958; Worden, 1959; John, Кillam, 1959; McAdam и сотр., 1961), отметившими нарастание генерализованных вызванных потенциалов в различных структурах мозга в начале выработки оборонительного рефлекса у кошек. Показано, что вызванные ответы по форме меняются весьма сходно в разных образованиях подкорково-стволового уровня мозга (John и сотр., 1964).

Несмотря на значительные усилия многих исследователей, временные и пространственные характеристики электрографических реакций, вызываемых условнорефлекторно, остаются недостаточно изученными, поэтому в наблюдениях и заключениях по этому поводу имеется много неясного и подчас противоречивого. Можно привести в качестве примера данные о характере изменений потенциалов, появляющихся на действие ритмического условного раздражения или включение непрерывного условного стимула. Авторы сходятся во мнении, что по мере выработки условных рефлексов происходят закономерные изменения такого рода ответов, однако по вопросу о характере их сдвигов имеются существенные разногласия. Так, М. Н. Ливанов и К. Л. Поляков (1945), В. В. Артемьев и Н. И. Безладнова (1952), М. Н. Ливанов (1960), В. В. Артемьев (1962), Galambos и сотр. 1956), Ван Тай-Ань и Н. И. Незлина (1963) и другие считают, что по мере выработки рефлекса вызванные ответы нарастают. Напротив, А. И. Ройтбак (1958) и А. Б. Коган (1960) утверждают, что они снижаются.

Различия в результатах наблюдений зависят, по-видимому, от различий в методических приемах исследования. Так, одни авторы прослеживали особенности усвоения ритмов при сочетании изоритмических световых и болевых раздражений (М. Н. Ливанов, К. Л. Поляков, 1945), другие изучали характер изменения первичных вызванных ответов на начало действия условного сигнала (В. В. Артемьев, Н. И. Безладнова, 1952), третьи в ответ на ритмическое раздражение, следующее за однократным сочетанием его с болевым подкреплением (Galambos и сотр., 1956) и т. д. В появлении противоречивых утверждений повинно и то обстоятельство, что сопоставление процессов велось не на равнозначных стадиях выработки рефлекса (на что указывали Р. С. Мнухина, 1963, 1964; Ван Тай-Ань и Н. И. Незлина, 1963, и др.) на сигналы разной интенсивности, разного ритма и, наконец, при регистрации их от разных зон мозга и у разных животных. Противоречивые данные исследователей объясняются и большой вариабельностью вызванных ответов, появляющихся при действии внешних стимулов у бодрствующих животных (Bremer, 1938; А. И. Ройтбак, 1958; Buser, 1955; В. Г. Скребицкий, 1960, и др.), а также тех ответов, которые сопровождают действие условных сигналов (А. И. Ройтбак, 1958; Chow, 1960, 1961). Так, В. Г. Скребицкий (1960) показал, что у собак вызванные потенциалы на звуковые и световые стимулы меняются по форме в зависимости от исходного уровня активности: при бодрствующем активном состоянии их амплитуда, форма и длительность напоминают потенциалы текущей "бодрствующей" активности, в то время как у сонного животного они более длительны и по форме напоминают "сонные" волны. Зависит от исходного фона и латентный период ответов (А. И. Ройтбак, 1956).

Если по вопросу о характере изменений вызванных ответов в период изолированного действия условного сигнала имеются разногласия, то исследователи сходятся во мнении, что в момент осуществления рефлекса, а также ему предшествующий период происходит исчезновение вызванных потенциалов, которые замещаются эффектом генерализованной десинхронизации (В. В. Артемьев, Н. И. Безладнова, 1952; А. И. Ройтбак, 1958; A. Б. Коган, 1960; Л. Г. Трофимов, Н. Н. Любимов, 1960; Marsh и сотр., 1961). О природе этого явления речь будет идти в обсуждении фактического материала этой главы.

В то время как период осуществления условного рефлекса связан с исчезновением вызванных потенциалов, момент безусловного подкрепления сопровождается значительным их ростом в самых различных территориях мозга. Galambos и сотрудники отметили, что нарастание вызванных потенциалов до исходного уровня наблюдается у кошек и обезьян в момент подкрепления условного сигнала болевым, пищевым или тактильным раздражениями в среднем мозге, таламических ретикулярных структурах, черве мозжечка, лимбической системе и т. д. Увеличение потенциалов было даже более выражено в неслуховых системах (поле Фореля, хвостатом ядре, гиппокампе), чем в слуховых (кохлеарных ядрах, верхней оливе, коленчатых телах, заднем двухолмии (Galambos, Sheatz, 1960; Marsh и сотр., 1961; Hearst и сотр., 1960).

Как следует из наблюдений, приведенных выше, условнорефлекторные изменения вызванных потенциалов имеют много общего в разных системах мозга. Это касается не только величины, формы, но также латентного периода ответов. Так, B. В. Артемьевым (1959, 1962) было показано, что на определенных этапах выработки оборонительного условного рефлекса в сенсомоторной области коры мозга кошек могут появляться вызванные условной звуковой стимуляцией реакции с латентным периодом более коротким, чем в первичной проекционной зоне слуха. В. В. Артемьев расценивает их как первичные, хотя они возникают отнюдь не в тех формациях, которые относят к системе слухового анализатора. Значительное сходство поведения первичных и вторичных ответов и большая вариабельность их величины, формы и латентного периода повели к тому, что сейчас описывается, чаще всего феноменологическая сторона дела, и регистрируемые процессы характеризуются главным образом описательными терминами: усвоение ритма, появление изоритмической активности, вызванные потенциалы и т. д., которые не дают возможности судить об их происхождении и принадлежности их к первичным или вторичным. Это и понятно, ибо до настоящего времени ни в отношении природы усвоения ритма, ни в отношении коротколатентных ответов, возникающих в структурах, которые не относятся к системе соответствующего анализатора, нет еще общепринятых взглядов. Неясно и происхождение значительных колебаний латентного периода ответов в разных формациях мозга (и в том числе специфических) у бодрствующих животных, поэтому до сих пор неясно, какой признак вызванного ответа должен стать ведущим в его квалификации (т. е. принадлежности к первичным или вторичным) - локализация или латентный период.

Разноречивость в представлениях исследователей об условнорефлекторных изменениях вызванных потенциалов, а также то, что широко иррадиированные вызванные ответы могут наблюдаться и вне связи с условной реакцией, привели даже к заключению об отсутствии коррелятивной связи этой формы активности и условного рефлекса (Buser, 1955; Morrell, 1957). Такого рода сомнения вполне законны, ибо до сих пор признаки условнорефлекторной окраски вызванных потенциалов описываются и трактуются исследователями весьма различно.

По-видимому, решение вопроса о взаимосвязи условного рефлекса и вызванных ответов, а также квалификации последних необходимо искать в детальном изучении динамики их формы, латентного периода и длительности (А. Б. Коган, 1960; М. Н. Ливанов, 1960), которое мы и пытались провести в настоящей работе.

Итак, в многочисленных работах приведено большое количество наблюдений, показывающих генерализованные изменения электрической активности разных структур мозга в начале формирования пищевых, оборонительных и других условных рефлексов на ритмические и неритмические раздражения разных модальностей. В зависимости от характера условной стимуляции изменения электрической активности в стадии генерализации выражаются в явлении генерализованной десинхронизации (на неритмический условный сигнал) или преобладания в ЭЭГ усвоенных ритмов (на ритмический условный сигнал).

Эти наблюдения согласуются с данными, полученными в школе И. П. Павлова и показывающими, что образование временной связи проходит ряд этапов, первым из которых является этап генерализации.

Наблюдения генерализованных изменений электрической активности, наступающих в коре при действии условного сигнала и осуществлении условного рефлекса, в свое время привело к предположению, что они определяются восходящими из ретикулярной формации влияниями, которые в свою очередь являются результатом встречи (конвергенции) на клетках этой формации процессов возбуждения условного и безусловнорефлекторного происхождения (Jouvet, Hernandez-Peon, 1955; Yoshii и сотр., 1956; Jouvet и сотр., 1956; Hernandez-Peon, 1957; Gastaut, 1955; Г. Гасто, 1958; Fessard, Gastaut, 1958). Особенно законченное выражение эта точка зрения нашла в представлениях А. Гасто, А. Роже (1958), которые считают, что главную роль в замыкании рефлекса играют процессы конвергенции импульсов на нейронах неспецифических систем, откуда возбуждение проводится к коре и спинному мозгу. Авторы полагают, что каудальные влияния определяют глобальные изменения моторных функций и симпатопарасимпатические эффекты, являющиеся составляющей условного рефлекса. Корковые влияния определяют появление локального компонента условной реакции. А. Фессар (1958) утверждает, что первично конвергентные процессы ретикулярной формации проецируются в кору, и на ее клетках вторично происходит как бы конвергенция конвергенций. Аналогичный вывод сделан и в отношении обонятельного мозга и особенно комплекса миндалевидное ядро - гиппокамп, который также признан важным участником условнорефлекторного процесса (Galambos и сотр., 1956; Lissak, Grastyan, 1957; К. Лишак, Э. Граштьян, 1958; Н. Иошии и сотр., 1958б; Grastyan, 1959; McAdam и сотр., 1961).

Можно ли думать, что генерализованные условнорефлекторные изменения ЭЭГ определяются только ретикулярными влияниями и является ли условнорефлекторное их изменение свидетельством взаимодействия (конвергенции) процессов, вызванных условной и безусловной стимуляцией, преимущественно на ее уровне. Как уже говорилось, такое представление встретило много возражений теоретического плана. Для анализа значения эффекта взаимодействия возбуждений в разных структурах мозга нами было проведено одновременное исследование электрических процессов в самых различных образованиях мозга и в первую очередь в прямом сопоставлении изменений потенциалов в так называемых специфических (анализаторных) и разных неспецифических (условно говоря, межанализаторных) зонах мозга при формировании условнорефлекторных связей.

Наше исследование электрической активности разных звеньев слухового анализатора (кохлеарных ядер, трапециевидного тела, верхнего оливарного комплекса ядер, задних бугров четверохолмия, внутреннего коленчатого тела, коры эктосильвиевой и сильвиевой извилин), кожно-двигательного анализатора (ядер нежного и клиновидного канатиков, вентролатерального комплекса ядер таламуса, коры сигмовидной извилины) в сопоставлении с изменениями ЭЭГ ядер ретикулярной формации продолговатого и среднего мозга, субталамического ядра, ретикулярного ядра таламуса, хвостатого ядра, гиппокампа, миндалевидного ядра и некоторых других ядер, а также разных зон коры большого мозга у 23 собак, регистрируемыми биполярно с помощью погружных электродов, показало, что изменения электрических процессов в каждой структуре мозга проходили пять стадий.

Однако условнорефлекторные сдвиги электрических потенциалов существенно зависели и от силовых свойств условного и безусловного сигналов, от индивидуальных особенностей нервной системы подопытного животного, которые будут отмечены в процессе описания материала. Что касается функционального состояния нервной системы животного, то от него может зависеть наличие или отсутствие условнорефлекторной реакции, а также, в случае наличия последней, и характер ее электрографического выражения. Изменения ЭЭГ, сопровождающие ту или иную стадию формирования рефлекса, при определенных функциональных состояниях животного могли замещаться теми сдвигами, которые были свойственны одному из предыдущих периодов образования рефлекса.

Как уже многократно указывалось в литературе (И. И. Лаптев, 1941; М. Н. Ливанов и К. Л. Поляков, 1945; М. Н. Ливанов и сотр., 1947, 1951; А. Б. Коган, 1949; А. И. Ройтбак, 1958; Л. Г. Трофимов и сотр., 1958; М. Я. Рабинович, 1958, 1961, и др.), появлению условного рефлекса у животных обычно предшествует возникновение в коре изменений электрической активности, сходных с изменениями ЭЭГ при осуществлении условнорефлекторной реакции.

Аналогичные явления нам удалось наблюдать и на уровне стволово-подкорковых отделов мозга. Однако предваряющие изменения электрической активности не только опережали собой появление сдвигов ЭЭГ, характерных для I фазы выработки рефлекса, но опережали особенности электрических процессов, характерные для каждого последующего этапа формирования условной реакции. Условнорефлекторные сдвиги электрической активности появлялись сначала не в период действия условного сигнала, а сразу или через некоторый промежуток времени после его выключения и отражали собой изменения ЭЭГ того этапа выработки рефлекса, который должен был последовать. Это явление в начале формирования условной реакции обычно служило признаком скорого появления рефлекса, а на последующих этапах могло быть предтечей очередной фазы образования временной связи.

Следовые процессы сопровождали не только реакции в период, предшествующий началу очередной фазы формирования условного рефлекса, но также реакции, осуществляемые в течение всего этого этапа. Последействие нередко было выражено значительно более отчетливо, чем изменения ЭЭГ в момент осуществления рефлекса. Следовые процессы в некоторых структурах мозга сохранялись от секунд до десятков часов, т. е. до следующего опытного дня, а в тех случаях, когда изменения электрических потенциалов на следах рефлексов усиливались ежедневными опытами, их можно было наблюдать в течение многих дней. Изменения в последействии сигнала обычно исчезали в период упрочения той или иной стадии выработки рефлекса и вновь появлялись (но уже совсем в другом виде) перед переходом к следующему этапу, электрографическую модель которого они и воспроизводили.

Следовые реакции могли быть значительно отставлены от действия условного раздражения и могли появляться в межсигнальные периоды либо "спонтанно", либо в ответ на применение любых посторонних стимулов.