Глава IV. Особенности условной активности нейронов в различных структурах головного мозга

Общая характеристика

Условные реакции нейронов ряда корковых и подкорковых образований мозга изучали многие авторы в различных экспериментальных ситуациях у различных животных. Это затрудняет систематизацию и сравнительный анализ по структурам. Данное обстоятельство вынуждает нас описывать некоторые особенности клеточной активности условнорефлекторной природы, связанные со структурной организацией и функциональным значением образования применительно к тому, как они представлены авторами в отдельных исследованиях.

Ricci с соавторами (1957), Jasper с соавторами (1960) первыми обратили внимание на некоторое своеобразие условной активности клеток в различных корковых структурах при выработке у обезьян оборонительных условных рефлексов на ритмические световые стимулы. В пункте двигательной коры, соответствующем проекции подкрепляемой электрокожным раздражением конечности, условная активация клеток наблюдалась преимущественно в момент осуществления условнорефлекторного движения. Только у 17% нейронов моторной коры (20 из 118) условные реакции возникали в начале действия сигнального стимула и предшествовали двигательной реакции животного (Ricci e. a., 1957). В сома-то-сенсорной коре условные изменения активности клеток в значительно большей степени, чем в моторной коре, были связаны с появлением движения конечности, что авторы объясняют действием обратной афферентации со стороны соответствующих мышц. Нейроны темен ной зоны коры по сравнению с моторной и сомато-сенсорной заметно реже проявляли условную активность и при этом преобладали реакции тормозного типа, которые проявляли 65% клеток. Условная активность этих клеток была связана только с действием сигнального стимула, на который они реагировали пачками разрядов на каждый засвет, и совершенно не зависела от движения. В клетках лобной области также возникали преимущественно тормозные условные реакции (62% нейронов). Однако большинство нейронов этой структуры (80% клеток) не проявляло каких-либо изменений при действии как условного, так и безусловного стимулов.

Evarts (1966) на обезьянах детально исследовал условные реакции пирамидных нейронов моторной коры, предварительно идентифицированных антидромной стимуляцией. Вырабатывался инструментальный условный рефлекс разгибания кисти: нажатие на телеграфный ключ вызывало вспышку света, за которым следовало размыкание ключа и пищевое подкрепление. При такой форме эксперимента разряды большинства пирамидных клеток всегда предшествовали активности разгибателей контралатеральной передней конечности. Некоторые клетки проявляли наряду с опережающим разрядом повышение импульсации после начала разгибательного движения кисти. Часть нейронов тонически разряжалась во время сгибания кисти при включении света и в последующем проявляла условное торможение активности, которое также предшествовало разгибательному движению. Из 182 зарегистрированных нейронов 57 клеток (около 31%) проявили условную активность, которая предваряла условный двигательный акт.

Сходные результаты в идентичной экспериментальной ситуации на обезьянах получили Luschei с соавторами (1968). Однако, по их данным, условные разряды, опережающие двигательный акт, проявили 56% клеток моторной коры.

Сравнивая время появления условных реакций нейронов прецентральной (моторной) и постцентральной (сомато-сенсорной) коры у тех же животных в идентичной экспериментальной ситуации, Evarts (1972) нашел, что ответы клеток двигательной коры опережали в среднем на 60-80 мс соответствующие изменения активности клеток сомато-сенсорной корковой зоны. В этой связи автор предполагает, что большинство нейронов постцентральной коры реагирует на само движение конечности, но не исключает возможности реакции части клеток этой корковой зоны до притока обратной афферентации. По-видимому, опережая на некоторое время двигательный акт, такие нейроны могут иметь непосредственное отношение к его формированию.

Н. Н. Василевский (1968, 1970) изучал особенности условной активности клеток зон проекций условной и безусловной стимуляции в сомато-сенсорной коре обездвиженных кроликов, используя различия в организации их рецептивных полей. Клетки зоны проекции подкрепления (электрокожное раздражение конечности) проявляли различную способность вырабатывать условные связи на тактильные, световые и звуковые стимулы в зависимости от организации рецептивных полей. Клетки с хорошо очерченными локальными рецептивными полями (нейроны I типа) активировались электрокожным раздражением конечности с небольшими латентными периодами (8-30 мс), часть из них реагировала на свет и звук с латентными периодами в пределах 50-100 мс.

В процессе сочетаний условного стимула с подкреплением у нейронов I типа вначале появлялись условные реакции в виде диффузного повышения частоты разрядов с латентными периодами в пределах 100-300 мс. По мере упрочения условной связи диффузное повышение активности сменялось "специализированными ответами", которые и представляют собой, по мнению автора, истинную условнорефлекторную активность. Реакции возникали с латентными периодами в пределах 500-1200 мс с максимальным разрядом, предшествующим подкреплению. В зависимости от возбуждающего или угнетающего действия на нейрон электрокожной стимуляции конечности формируется и условная реакция клетки - активирующая или тормозная.

Нейроны II типа с широкими без определенных границ рецептивными полями проявили условные реакции преимущественно с диффузным повышением частоты разрядов. "Специализированные ответы", т. е. подлинные длительно латентные условные реакции, вырабатывались у таких клеток весьма редко. Нейроны сомато-сенсорной коры III типа, у которых рецептивные поля на болевые и тактильные стимулы отсутствовали и которые не реагировали на свет или звук, условные реакции не вырабатывались, несмотря на большое число сочетаний. Н. Н. Василевский предполагает, что нейроны I типа представляют собой основу, на которой протекает уловнорефлекторная деятельность, а нейроны II типа опосредуют взаимодействие основных элементов данного анализатора с другими образованиями мозга.

Нейроны, связанные с рецептивными полями условного раздражения (касалка, 5 предъявлений в 1 с), реагировали на сигнальный стимул групповыми разрядами, следующими в ритме предъявлений касалки. Такого рода активирующие условные реакции появлялись после нескольких сочетаний и отличались отчетливым повышением частоты разрядов преимущественно на первые стимулы в серии.

В последнее время Н. Н. Василевский с соавторами (1972а), применив более детальный анализ с использованием электронно-вычислительной техники, показали, что в группе ареактивных клеток сомато-сенсорной коры имеются нейроны, способные выработать условные реакции на звуковые стимулы в описанной экспериментальной ситуации. Из 35 специально подобранных нейронов, которые в контрольных пробах не отвечали на оба сочетаемых стимула (звук и электрокожное раздражение конечности), 17 клеток (около 48%) выработали условные связи, идентифицированные по стабильному сходству структуры реакции (межимпульсные и межразрядные интервалы) на сигнальный и подкрепляющий раздражители. При этом вначале появлялась реакция на условный стимул, затем ответы на подкрепление и в последующем, по мере сочетаний, структура ответа на условный стимул постепенно приближалась к структуре реакции на безусловное раздражение.

У обезьян, которых обучали выполнять инструментальную двигательную задачу (размыкание телеграфного ключа) на звуковой стимул с пищевым подкреплением, Miller с соавторами (1972) зарегистрировали активность нейронов слуховой коры. Было показано, что первоначальные реакции на звук (активирующие и тормозные) по мере упрочения двигательного навыка становились более интенсивными и приобретали устойчивый характер у 85% клеток. Лишение животного возможности выполнить двигательную задачу не сказывалось на интенсивности и знаке ответов нейрона, т. е. клеточные реакции проявляли независимость от выполнения двигательной задачи. К сожалению, в работе нет указаний на приемы верификации условнорефлекторной природы клеточных реакций. По данным У. Г. Гасанова (1972а, б), полученным при выработке у кошек условных мигательных рефлексов на звук, идентифицированные условные активирующие реакции нейронов слуховой коры отчетливо коррелировали с поведенческим актом: при выпадении мигания частота условных разрядов клетки, как правило, снижалась.

Kubota и Niki (1971), Kubota с соавторами (1972), Niki с соавторами (1972) исследовали активность нейронов префронтальной коры (дорсо-медиальный и орбито-фронтальный отделы), хвостатого ядра, дорсо-медиального и вентро-латерального ядер таламуса после предварительной выработки у обезьян отсроченных пищедобывательных рефлексов. Одновременно с клеточными реакциями регистрировалась электромиограмма трехглавой мышцы плеча. Для подачи пищевого подкрепления животное должно было поочередно нажать на правую и левую педали после подъема скрывающего эти педали экрана. Отсроченные реакции вводились после упрочения инструментального рефлекса, в котором движение экрана служило условным зрительным стимулом. Они заключались в том, что подъем экрана задерживался на 1-5 с, после чего обезьяна должна была "вспомнить", какую педаль ей надо нажать, чтобы получить пищевое вознаграждение.

В дорсо-медиальном отделе префронтальной коры из нескольких сотен зарегистрированных клеток было обнаружено 49 нейронов, активность которых коррелировала с отсроченными пищедобывательными реакциями. Из этого числа 67% клеток реагировали на подъем экрана повышением частоты разрядов (E-клетки), 33% - торможением активности (D-клетки). Активирующие условные реакции E-нейронов обычно опережали появление электромиограммы в среднем на 300-400 мс с разницей для правой и левой педали в пределах около 100 мс в зависимости от того, нажатие какой из них было "вознаграждено" в предшествующей пробе. Тормозные условные реакции D-нейронов возникали только в период задержки подъема экрана. Результаты анализа позволили авторам предположить, что активация E-клеток связана с контролем двигательного акта, а торможение D-клеток каким-то образом отражает включение механизмов "выбора" педали для адекватного движения.

В отличие от клеток дорсо-медиального отдела префронтальной коры большинство нейронов медиальной орбито-фронтальной извилины проявило только активирующие реакции на пищевое подкрепление и оставалось интактным при подъеме экрана и нажатии на педали. Нейроны хвостатого ядра и дорсо-медиального ядра таламуса проявляли активирующие условные реакции на подъем экрана, опережавшие пищедобывательное движение конечности в среднем на 00 мс. Несколько клеток вентро-латерального таламического ядра отчетливо активировались одновременно с появлением электромиограммы трехглавой мышцы плеча. Авторы полагают, что активирующие реакции клеток дорсо-медиального отдела префронтальной коры, хвостатого ядра и таламических ядер причастны к формированию последовательных компонентов двигательного акта, тогда как нейроны медиальной орбито-фронтальной извилины связаны, по-видимому, с пищевой мотивацией.

Fuster и Uyeda (1971) исследовали условнорефлекторную перестройку активности нейронов ряда структур лимбической системы (пириформная кора, гиппокамп, миндалина) после предварительной выработки у обезьян двух различных инструментальных условных рефлексов (пищедобывательного и оборонительного) на световые стимулы. При пищедобывательном рефлексе животное должно было в ответ на появление горизонтальной полосы светящихся лампочек (или света зеленой лампы в другой серии опытов) нажать на правый рычаг, который подавал кормушку.

При включении вертикальной светящейся полосы лампочек (или красного света) животное должно было нажать на левый рычаг, выключавший болевое раздражение электрическим током.

Во всех трех структурах лимбического круга большая часть нейронов проявила активирующие или тормозные условные реакции на оба сигнальных стимула. Таких клеток в пириформной коре и гиппокампе было около 59% (из 106 и 157 зарегистрированных нейронов соответственно) в каждом из образований; меньше условно реагирующих клеток было в миндалине - около 48% (из 87 зарегистрированных нейронов). Во всех образованиях несколько преобладали активирующие условные реакции, превышая тормозные условные ответы в пределах 4-12%.

Весьма интересны эксперименты Fuster и Uyeda, указывающие на то, что значительная часть нейронов в каждой из структур отвечала на один из световых стимулов, например, на стимул сигнальный для пищедобывательного движения, и не реагировала на световой стимул, сигнальный для оборонительного поведения; либо, наоборот, не отвечала на первый пищедобывательный стимул и устойчиво реагировала на второй, сигнализирующий оборонительное нажатие на рычаг. Таким же образом некоторые нейроны активировались одним зрительным стимулом и тормозились другим. В пириформной коре таких нейронов было 24%, в гиппокампе - 25%, в миндалине - 37%. Остальные условнореагирующие нейроны отвечали на сигнальные стимулы пищедобывательного и оборонительного поведения однозначными реакциями. Преобладание в миндалине нейронов, избирательно реагирующих на сигнальные стимулы определенной приспособительной деятельности, авторы рассматривают как показатель особой роли миндалины в идентификации подкрепляющего стимула, его мотивационной природы.

Ben-Ari, Le Gal La Salle (1972) нашли в миндалевидном комплексе кошек только 30% нейронов, выработавших условные реакции на звуковые или световые стимулы с электрокожным подкреплением (электрокожное раздражение конечности). Относительно небольшое число условнореагирующих клеток в этой структуре можно объяснить особенностями эксперимента: условные связи вырабатывались у обездвиженных флакседилом животных и в известной мере носили черты сенсо-сенсорных ассоциаций. Вместе с тем факт появления условных связей, которые были способны сохраняться на протяжении до 120 сочетаний, указывает на то, что электрокожное раздражение конечности и в этой ситуации включало элементы биологически значимого подкрепления (болевой компонент).

Olds с соавторами (1969), пользуясь хронически вживленными электродами, исследовали условную активность нейронов ряда образований мозга, уделив особое внимание структурам гиппокампа, гипоталамуса, преоптической области и ретикулярной формации стволового и таламического уровней. Крыс обучали нажимать на педаль и затем сохранять неподвижность на протяжении 1,75 с, после чего следовало подкрепление пищей или водой. Анализировалась активность нейронов в период полной задержки движения, которое оценивалось как "готовность к достижению цели" или "антиципаторное поведение".

На протяжении периода "ожидания" большинство нейронов гиппокампа, латерального гипоталамуса и преоптической области проявляло либо повышение, либо понижение разрядов (тормозные реакции обнаружили 21% нейронов); активность остальной части клеток оставалась без изменений. Разряды многих нейронов этих образований мозга, особенно поля СА-3 гиппокампа, казались явно связанными с природой подкрепления - пищевого или водного. Это объясняется, по-видимому, преобладающим влиянием в каждом случае соответствующих мотивационных факторов. На это обстоятельство указывают также факты наличия отчетливых водно-пищевых различий в характере клеточных реакций в одном опытном дне и отсутствие их или противоположные эффекты - в другом. В нейронах ростральной части ретикулярной формации среднего мозга и интраламинарной области таламуса предъявлению подкрепления всегда предшествовала хорошо выраженная активация, независимая от побуждающего (пищевого или водного) фактора. Эксперименты Olds с соавторами следует рассматривать как своеобразную форму условного рефлекса на состояние, вызванное фиксированным интервалом задержки движения и конкретной в каждом случае мотивацией (преобладание голода или жажды).

Segal и Olds (1972) исследовали условную активность нейронов некоторых полей гиппокампа и зубчатой фасции при выработке у крыс пищедобывательных условных рефлексов на звук с фиксированными межсигнальными интервалами (около 1 мин). Условные реакции клеток классифицировались по времени появления максимального разряда на протяжении односекундного действия сигнального стимула: в пределах первых 500 мс - ранние ответы; в пределах последних 500 мс - поздние ответы; реакция на всем протяжении действия условного сигнала - устойчивее ответы.

В поле СА-1 гиппокампа условные реакции выработала 21 клетка из 42 зарегистрированных (50%), при этом ранние ответы проявили 4 нейрона, поздние ответы имелись у одного нейрона и устойчивые реакции - у 16 клеток. В полях СА-3 и СА-4 условные реакции обнаружили 33 клетки из 41 (80%), ранние ответы - 10 клеток, поздние - 5 клеток; 18 нейронов проявили устойчивые ответы. В зубчатой извилине из 43 зарегистрированных нейронов 31 клетка (72%) проявила условные реакции, в том числе 15 нейронов обнаружили ранние ответы, 10 нейронов - поздние ответы и только у 6 клеток были устойчивые реакции. Для выработки статистически значимой условной активности нейронам зубчатой фасции требовалось в среднем 30 сочетаний, нейронам поля СА-1 и полей СА-3 и СА-4 гиппокампа - 50 и 70 сочетаний соответственно.

Таким образом, большинство нейронов гиппокампа, особенно поля СА-1, реагирует на сигнальный стимул по устойчивому типу, т. е. на протяжении всего времени действия условного стимула, и, как отметили авторы, некоторое время в последействии. У нейронов зубчатой фасции преобладали относительно короткие пачки разрядов, длительностью не более 300-400 мс.

Условную активность нейронов бледного шара (globus pallidus) изучали Travis, Sparks (1968) и Travis с соавторами (1968). У обезьян вырабатывали пищедобывательный условный рефлекс: в ответ на звуковой стимул животное нажимало на рычаг, который открывал бокс с пищевым подкреплением. Особенностью условных реакций клеток бледного шара авторы считают фазу торможения разрядов в момент подкрепления, которая наиболее отчетливо проявлялась у нейронов с активирующей формой условной активности. У клеток с тормозной формой условной реакции фаза торможения при подкреплении наблюдалась реже и не была такой четкой. Как показал анализ, торможение разрядов клеток при подкреплении проявило около ¹/₃ клеток (48 из 157), в большинстве проб они совпадали с движениями животного, направленными на пуск рычага, поиск, добывание и поедание пищи. Различного рода случайные движения или пассивные движения конечностей таких эффектов торможения не вызывали. Не возникала также фаза торможения при добывании и захватывании незнакомых пищевых объектов или несъедобных предметов.

В специальной серии опытов (Travis e. a., 1968), предназначенной для идентификации отдельных компонентов пищедобывательного акта, связанных с периодом торможения разрядов клеток на подкрепление, сигнальный звуковой стимул был отменен и поиск пищи начинался с нажатия на рычаг. В этих случаях пуск животным рычага не вызывал тормозных эффектов. Они появлялись теперь только при поиске, добывании и поедании пищи. Эти результаты привели авторов к выводу, что, несмотря на явное значение предшествующего обучения, феномен торможения подкрепляющего действия не связан с влиянием на безусловную реакцию нейрона разрядов, вызванных условной стимуляцией. По их мнению, "уникальные" тормозные реакции на подкрепление клеток бледного шара облегчают активацию других двигательных систем, причастных к пищедобывательному акту.

Следует заметить, однако, что после отмены звукового раздражителя условным стимулом оставались, судя по методике эксперимента, автоматически отведенный рычаг и его пуск, что по существу ничего не меняет в структуре условного рефлекса. К тому же тормозные эффекты при подкреплении, следующие за активацией в ответ на условное раздражение, наблюдались на нейронах ряда других образований мозга в самых разнообразных экспериментальных ситуациях с различными формами подкрепления (см. главу III, с. 85).

Сравнительное исследование условной активности нейронов зон проекций условного и безусловного раздражителей на различных уровнях мозга провели Buchwald с соавторами (1966). У бодрствующих кошек вырабатывался двигательный условный рефлекс (сгибание конечности) на звуковые стимулы с использованием хронически вживленных электродов, регистрировавших импульсную активность множества клеток (multiple units). Для нейронов различных образований слухового пути (слуховая кора, внутреннее коленчатое тело, нижний бугорок четверохолмия) были типичны начальные ответы на сигнальный стимул, которые появлялись после первых сочетаний, заметно усиливаясь по мере появления условных двигательных рефлексов у животного, и всегда предшествовали им в каждой пробе. Хотя начальная вспышка разрядов появлялась в структурах проекции условного раздражения явно под влиянием подкрепляющего стимула (электрокожное раздражение конечности), она непосредственно с движением не была связана, что доказывается последующим обездвиживанием животного введением флакседила. Сходные по характеру и динамике условные реакции нейронов были зарегистрированы в ретикулярной формации мез- и диэнцефального уровней мозга.

В структурах проекции безусловного раздражения (двигательная кора, вентральное задне-латеральное ядро таламуса, волокна медиальной петли) преобладали разряды, возникавшие одновременно с условной двигательной реакцией животного. Наблюдавшиеся начальные вспышки в медиальной петле предположительно относились к активности близлежащих волокон ручки нижнего двухолмия или латеральной петли, так как напоминали ее по длительности, характеру и отношению к миорелаксанту. Условные разряды клеток, отражающие реализацию двигательного акта, исчезали на фоне флакседилового паралича и вновь появлялись при пассивных сгибаниях конечности, что позволило авторам связать эту форму активности с притоком обратной афферентации от соответствующих мышц.

Оригинальные данные об условной активности альфа- и гамма-систем спинного мозга получены Buchwald с соавторами (1961). У обездвиженных флакседилом кошек регистрировали разряды передних корешков спинного мозга на уровне L6-L7 после предварительной выработки оборонительных условных рефлексов (сгибание задней конечности) на звуковой стимул. У части животных обездвиживание было неполным и сохранялись двигательные реакции на электрокожное раздражение конечности. Тонические низкоамплитудные разряды гамма-эфферентных волокон заметно отличались от вспышек высокоамплитудных разрядов альфа-волокон.

Условные разряды на звуковой стимул в гамма-эфферентной системе в виде усиления тонической активности возникали примерно после первых десяти сочетаний задолго до появления условного сгибания конечности. Их латентные периоды не превышали 18 мс. Условная активность альфа-волокон всегда появлялась одновременно с двигательной реакцией животного после 100-200 сочетаний с латентным периодом в пределах 50-100 мс.

Авторы сопоставили величины латентных периодов условных реакций гамма- и альфа-мотонейронов со временем, необходимым для проведения потока импульсов от звукового стимула к супраспинальным зонам их проекций и затем к люмбальным отделам спинного мозга. Подсчеты позволили предположить, что разряды волокон гамма-эфферентной системы отражают условные реакции клеток ретикулярной формации стволового уровня. Разряды альфа-волокон включают, по-видимому, условную активность клеток и более высоких уровней интеграции, вплоть до коры.