Концепция конвергентного замыкания условного рефлекса

Идея о конвергенции гетерогенных стимулов как принципе образования условного рефлекса была выдвинута Eccles (1953), предположившим существование некоего центра конвергенции без определенной локализации, на нейронах которого сходятся условный и безусловный раздражители. Встреча этих стимулов в центре конвергенции, их взаимодействие и интеграция завершаются формированием особой пространственно-временной структуры разрядов, которая затем передается в нейронную сеть. Повторными сочетаниями сигнального и подкрепляющего стимулов включаются механизмы постактивационной потенциации путей условного сигнала, приобретающего, таким образом, способность стимулировать реализацию условнорефлекторного акта. Кратковременность эффектов постактивационной потенциации синаптического действия преодолевается свойствами нейронной сети, способной многократно повторять единичное событие при активации каждого из звеньев цепи нейронов. Стабильные условные связи могут, следовательно, возникать только в тех образованиях центральной нервной системы, которые состоят из достаточно сложной нейрональнон сети.

В последующем идея Eccles была детализирована Fessard (1960), который обобщил экспериментальный анализ конвергенции и взаимодействия на нейронах стимулов различной сенсорной модальности, дополнив его представлениями о следовых процессах и значении их в организации механизма замыкания. Первостепенная роль при этом отводилась ритмическому характеру активности центральных нейронов, способной вызвать в пресинаптических терминалях аксонов процессы, сходные с явлением посттетанической потенциации, которые поддерживаются особыми свойствами полисинаптических нейронных цепей. Первичная конвергенция, согласно Fessard, осуществляется преимущественно на клетках ретикулярных образований таламуса и ствола мозга Их(передается на корковые нейроны в интегрированной форме ("проецируемая мультивалентность"). Корковые структуры в свою очередь контролируют и регулируют конвергентные функции ретикулярных структур, что придает условному рефлексу его окончательную форму.

В основу предложенных гипотез были положены механизмы посттетанической потенциации, детально изученные вначале преимущественно на простых моносинаптических путях спинного мозга как гомосинаптическое явление, а затем и в полисинаптических системах при гетеросинаптическом поступлении пресинаптических импульсов (П. Г. Костюк, 1960; М. Г. Белехова, 1968; Spenser, April, 1970). На нейронах двигательной коры гомосинаптическая и гетеросинаптическая посттетаническая потенциация изучалась в нашей лаборатории Л. Л. Ворониным при помощи внутриклеточной регистрации (Л. Л. Воронин, 1970а, б, 1971а; Л. Л. Воронин и др., 1972). После тетанизации корковой поверхности на протяжении до 10-12 с наблюдалось увеличение амплитуды и длительности возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП), вызванного одиночным тестирующим стимулом, поданным на те же раздражающие электроды, т. е. при его гомосинаптическом поступлении.

При гетеросинаптическом поступлении тетанизирующих и тестирующих импульсов через отдаленные друг от друга раздражающие электроды или предъявлении после тетанизации сенсорных стимулов (электрокожное раздражение конечности, свет) возникали ВПСП на ранее неэффективные тестирующие стимулы или заметно усиливался исходный ответ, если он проявлялся до тетанизации. Эффекты гомосинаптической и гетеросинаптической потенциации синаптического действия сохранялись у нейронов двигательной коры менее 1 мин.

Таким образом, даже тестируемая сенсорными стимулами посттетаническая потенциация, продемонстрированная Л. Л. Ворониным (1971а), как и возможность продлить эффекты посттетанической потенциации в моносинаптических путях спинного мозга до 1-2 ч, достигнутая в последние годы (Spenser, April, 1970), не в состоянии объяснить хронический характер условной связи. По-видимому, явление посттетанической потенциации можно рассматривать как нейрофизиологическую основу кратковременных форм неспецифической сенситизации нейрона ("псевдообусловливание").

Представления о роли реверберирующей по замкнутым полисинаптическим цепям импульсации, стабилизирующей эффективность постактивационной потенциации, были сильно поколеблены многочисленными работами по экспериментальной ретроградной амнезии, прерывающей реверберацию без ущерба для выработанных условных реакций, если они были предварительно закреплены (Р. И. Кругликов, 1971; Jarvik, 1972). В литературе известны и другие бесспорные доказательства сохранения приобретенных и часто достаточно сложных навыков после экстремальных воздействий на мозг (например, обескровливание мозга на несколько минут), полностью прекращающих биоэлектрические проявления реверберации (Ю. Конорски, 1972).

Реверберация сейчас учитывается в процессе обучения только как начальный фактор, ведущий в последующем к структурным преобразованиям в синаптнческом аппарате в виде, например, расширения активных зон (Дж. Экклс, 1966), или к образованию новых синаптических связей между нейронами (И. С. Бериташвилщ 1968; Ю. Конорски, 1972), особенно аксо-дендритных и дендро-дендритных контактов (Г. Д. Смирнов, 1972). Предполагается при этом, что в конечном счете структурные преобразования в действующих синапсах и формирование новых контактов между клетками связаны с механизмами синтеза ядерной РНК и специфических белков.

Существенные ультраструктурные изменения в синаптических аппаратах были выявлены электронномикроскопическими исследованиями при различных функциональных состояниях, связанных с длительным возбуждением нейронов (Г. Д. Смирнов, 1969, 1972). выработкой поляризационной двигательной доминанты. (Н. И. Артюхина, М. А. Рябинина, 1972а, б) и оборонительных условных рефлексов (А. Л. Микеладзе, 1972). В наиболее демонстративных формах ультраструктурные изменения касаются как пресинаптических (увеличение количества пузырьков и концентрация их у пресинаптической мембраны), так и постсинаптических компонентов (утолщение постсинаптических мембран) преимущественно аксо-дендритных синапсов (Н. И. Артюхина, М. А. Рябинина, 19726).

Оригинальную гипотезу о структурных основах замыкания временных связей предложил А. И. Ройтбак (1969, 1972). Наряду с активацией популяции соответствующих нейронов безусловный стимул вызывает деполяризацию мембран олигодендроцитов, побуждая их к миелинообразующей деятельности. Отростки олигодендроцитов, соприкасаясь с лишенными миелина аксонными пресинаптическими терминалями, начинают их обертывать, повышая тем самым эффективность передачи приходящих импульсов и соответственно количество высвобождаемого медиатора. Миелинообразование становится возможным в условиях изменений ионного состава межклеточной среды, которые вызываются предшествующим сигнальным раздражителем и сохраняются до 20 мин ("химический след"). При повторных сочетаниях временная связь совершенствуется в результате нарастания количества слоев миелина пресинаптической терминали. Предполагается, что при угашении условного рефлекса имеет место локальная демиелинизация терминали.

Идеи Eccles и Fessard о конвергенции и взаимодействии на нейронах раздражителей гетерогенных модальностей бесспорно явились важным вкладом в развитие нейрофизиологических представлений о механизмах условного рефлекса. Вместе с тем сформулированные ими концепции конвергентного замыкания, различаясь в деталях, содержали общие существенные пробелы. Концепции опирались на механизмы, не способные, как сейчас уже ясно, придать условной связи свойственные ей устойчивость и приспособительную пластичность. Авторы этих концепций не придавали должного значения подкреплению - решающему фактору в становлении условного рефлекса со всеми его качественными особенностями.

Функциональные механизмы подкрепляющего действия остаются неясными и представляют, как подчеркнул Г. Джаспер (1967), величайшую загадку для нейрофизиологии обучения. По-прежнему трудно объяснить, каким образом нейроны приобретают способность связывать стимулы различной афферентной природы, фиксировать такие ассоциации в предъявляемой последовательности и воспроизводить их как интегрированный сигнал, опосредующий реализацию поведенческого акта. Более того, появление у нейронов полисенсорных свойств по мере сочетаний, т. е. включение механизмов конвергенции, обеспечивающих соприкосновение взаимодействующих стимулов, оказалось недостаточным для образования устойчивой связи между ними. Необходимы дополнительные перестройки функциональных свойств нейронов, которым подвержена только часть из них, значительно большая в зоне проекции подкрепления и меньшая - в зонах проекции сигнального стимула (см. главу III, с. 84).

Едва ли все эти вновь приобретенные в процессе сочетаний функциональные свойства нейронов и особенности их пластичности объяснимы в пределах существующих представлений общей нейрофизиологии. В связи с этим не вызывает удивления, что в последние годы многие исследователи все чаще и все более обоснованно, с различных теоретических позиций высказывают неудовлетворенность чисто нейрофизиологической интерпретацией природы основных свойств условного рефлекса или обучения (П. К. Анохин, 1968; А. И. Ройтбак, 1969; Г. Джаспер, 1967; В. Р. Эйди, 1969; Doty, 1969; Baumgarten, 1970; Thompson e. a., 1972).

На иной основе построена концепция конвергентного замыкания П. К. Анохина (1968). Сохранив принцип конвергенции стимулов гетерогенных модальностей на уровне нейрона как исходный механизм их взаимодействия и интеграции, П. К. Анохин дополнил его существенными факторами, которые придали концепции новое содержание. Значение этих факторов вытекает из практики выработки разнообразных форм условной связи, от простых и неустойчивых сенсо-сенсорных ассоциаций до классических условных рефлексов и нейрофизиологического анализа доступных механизмов и особенностей каждой из них.

Содержание концепции П. К. Анохина можно свести к следующим основным положениям:

1. общепринятое понятие конвергенции стимулов различной сенсорной модальности не отражает всей сложности процессов, совершающихся при встрече на уровне нейронов условного и безусловного раздражителей;
2. в процессе эволюции центральной нервной системы сложились и другие формы конвергенции, зависимые от происхождения и природы поступающих афферентных сигналов и различающиеся как по механизмам их взаимодействия на клеточном уровне, так и по свойствам свершившейся интеграции;
3. по отношению к механизмам замыкания условной связи решающим фактором выступает биологическое значение подкрепляющего рефлекса, что потребовало выделить как особую форму конвергенции взаимодействие стимулов различных сенсорных и биологических модальностей. Природа конвергирующей на нейронах сенсорной и биологической афферентации определяет организацию условного рефлекса - его сигнальные свойства и приспособительное значение;
4. стимулы различной сенсорной и биологической модальности воздействуют при сочетаниях на синаптические входы нейронов с гетерохимической организацией этих входов.

При этом особые свойства подкрепляющего фактора определяются специфическими химическими реакциями, которые он вызывает, и соответствующими молекулярными преобразованиями в пределах мембраны и цитоплазмы нейрона. Здесь происходит "сцепление" эффектов условной и безусловной стимуляции с последующим выходом сложившейся интеграции на аксон в виде клеточного разряда.

Косвенные экспериментальные доказательства нейрохимического аспекта концепции конвергентного замыкания можно усмотреть в исследованиях нейрохимических основ обучения (Booth, 1967; Kandel, Spenser, 1968; Rose, 1970; Дж. Гейто, 1969; Hyden, 1972) и фармакологическом анализе его механизмов (А. В. Вальдман, М. М. Козловская, 1969, Л. Х. Аллнкметс, 1970; Р. Ю. Илыоченок, М. А. Гилинскин, 1971; Р. Ю. Ильюченок, 1972; Pradhan, Dutta, 1971; Г. Маттиес, 1972).

Ряд фактов, демонстрирующих гетерохимическую организацию синаптического аппарата нейронов, получен в лаборатории П. К. Анохина путем микроионофореза некоторых физиологически активных веществ.

Исследования показали избирательную чувствительность отдельных корковых нейронов к введению различных нейромедиаторов и отчетливые изменения функциональных свойств значительной части клеток в результате таких воздействий (Г. Н. Олейник, И. В. Орлов, 1969; И. В. Орлов, В. В. Шерстнев, 1972; В. В. Шерстнев, 1972).

Таким образом, имеется достаточно теоретических и экспериментальных оснований предполагать, что наиболее существенные свойства механизмов замыкания складываются на молекулярном уровне в пределах ультраструктурных образований нейрона. При этом, однако, для нас остается бесспорным, что любые специализированные преобразования в химической организации клеточных ультраструктур, связанные с обучением, опосредованы сложными нейрофизиологическими механизмами (в их электрическом выражении) и только этими механизмами реализуются как поведенческий акт.

Дальнейшие поиски таких механизмов, анализ их природы и организации представляются первоочередной задачей исследований нейрофизиологических аспектов замыкательной функции мозга.