Глава V. Клеточные аналоги внутреннего торможения

Тормозные условные реакции нейронов как особая форма внутреннего торможения

Как отмечалось ранее (см. главу III, с. 64), существенную особенность анализа на клеточном уровне механизмов замыкания составляют тормозные условные реакции, которые проявляет значительная часть нейронов различных корковых и подкорковых образований мозга в ответ на действие положительных сигнальных стимулов.

В школе И. П. Павлова тормозные условные рефлексы как составная часть внутреннего торможения стали известны на первых этапах развития учения о высшей нервной деятельности (Г. В. Фольборт, 1912). Они возникали при комбинациях индифферентных стимулов с уже выработанными тормозными состояниями, например, с только что угашенным условным слюноотделительным рефлексом, и в последующем такой раздражитель приобретал значение специального тормоза этого рефлекса. Тормозные условные рефлексы можно рассматривать, следовательно, как своеобразные и хорошо известные в лабораториях И. П. Павлова рефлексы второго порядка, когда условная реакция на ранее недеятельный стимул вырабатывается на основе уже сложившейся формы поведения.

На уровне отдельных нейронов тормозные условные реакции возникают в процессе выработки условнорефлекторного поведенческого акта первично, наряду с активирующими условными реакциями, в ответ на один и тот же сигнальный стимул. При этом активирующий или тормозной характер условной реакции нейрона формируется по мере сочетаний под влиянием знака действия на клетку либо подкрепляющего стимула либо сигнального раздражителя в зависимости от структурно-функциональной организации каждого образования мозга и, по-видимому, от соотношения на элементах этого образования функционирующих синаптических входов возбуждающего и угнетающего действия для каждого из сочетаемых стимулов.

По нашим данным, полученным в процессе выработки условно-рефлекторного акта сгибания передней конечности животного на звуковые стимулы, в корковой зоне проекции безусловного рефлекса (двигательная кора) активирующая или тормозная форма условной реакции нейрона определяется, как правило, возбуждающим или угнетающим действием на клетку подкрепляющего стимула, т. е. электрокожного раздражения конечности, порогового для вызова двигательного рефлекса (Rabinovich, Polonskaya, 1973). В корковой зоне проекции условного раздражения (слуховая кора) уже только около ²/₃ клеток вырабатывали условные реакции по знаку ответа на подкрепляющий стимул, более ¹/₃ нейронов проявляло условную активность в соответствии с активирующим или тормозным действием сигнального стимула (Е. Л. Полонская, М. Я. Рабинович, 1971). У большинства нейронов внутреннего коленчатого тела активирующая или тормозная форма условной реакции формируется под влиянием знака действия на клетку условного сигнала и только от нейронов выработала условные реакции в соответствии со знаком действия подкрепляющего рефлекса (Е. Л. Полонская, (М. Я. Рабинович, 1972).

Предположительная схема механизмов формирования тормозных и активирующих условных реакций по знаку действия на клетку либо сигнального, либо подкрепляющего стимула представлена на рис. 18.

На то обстоятельство, что положительный сигнальный стимул способен вызывать как активирующие, так тормозные реакции клеток, было обращено внимание же в первых микроэлектродных исследованиях нейронных механизмов условного рефлекса. Jasper с соавторами (1960) обнаружили, что в процессе выработки у обезьян оборонительных условных рефлексов на световые стимулы 23% клеток двигательной и соматосенсорной зон коры, 62% клеток лобной коры и 65% леток теменной коры проявили тормозные условные реакции на положительный сигнальный стимул. Тормозные условные реакции клеток, как и активирующие, в одних структурах возникали преимущественно на фоне двигательного рефлекса (отдергивание верхней конечности), а в других структурах предшествовали условнорефлекторному акту животного. Yoshii и Ogura (1960) обнаружили в ретикулярной формации ствола мозга 9% нейронов с тормозными условными реакциями на сигнальный стимул при выработке у обездвиженных кошек клеточных условных связей сочетаниями звуковых стимулов с электрокожным раздражением конечности.

В дальнейших исследованиях тормозные условные реакции клеток в ответ на положительный сигнальный стимул были описаны многими авторами почти во всех исследованных корковых и подкорковых образованиях мозга, при самых разнообразных приемах выработки условных связей у различных животных (крысы, кролики, кошки, обезьяны), бодрствующих и обездвиженных миорелаксантами. Тормозные условные реакции возникали наряду с активирующими при формировании простых ассоциаций между двумя сенсорными стимулами, такими, как звук и свет (Б. И. Котляр, 1969; Г. Н. Сметанкин, 1970), при сочетаниях сенсорных стимулов с локальной электрической стимуляцией отдельных клеток (В. Ф. Захаров, 1969; Bures, Buresova, 1965), при сочетаниях электрической стимуляции, подпороговой и пороговой, двух различных участков мозга (Л. Л. Воронин, Р. Г. Кожедуб, 1971а; Я. Хори и др., 1967), в процессе выработки различных форм классических условных связей (Н. Н. Василевский, 1968; Б. И. Котляр, 1970; Е. Б. Королев, 1971; У. Г. Гасанов, 1972; Kamikawa e. a., 1964; O'Biren, Fox, 1969; Luschei e. a., 1971) и, наконец, при выработке сложных инструментальных условных рефлексов с пищевым или оборонительным подкреплением (Evarts, 1966; Olds e. a., 1969; Foster, Uyeda, 1971; Kubota, Niki, 1971; Fuster, 1973).

Важно отметить, что, по данным Ewarts (1966), тормозные условные реакции корковых нейронов пирамидного тракта обезьян, идентифицированных антидромной стимуляцией, как и активирующие реакции этих клеток, возникают с латентными периодами в пределах тех же 100-120 мс и предшествуют инструментальному двигательному акту (разгибание кисти) с опережением, равным в среднем 100 мс для обеих форм условной активности. На одно и то же время, в пределах которого тормозные и активирующие условные реакции нейронов прецентральной коры опережают реализацию выработанной двигательной реакции животного, указали также Luschei с соавторами (1971); для условного рефлекса сжимания челюстей у обезьян это время оказалось равным 50 мс.

Тормозные условные реакции клеток могли быть выработаны наряду с активирующими в экспериментах с обратной связью, когда подкрепляющий стимул (пищевой или оборонительный) автоматически включался при достижении нейронами заданных уровней активности. Как показали Fetz с соавторами (1969), Fetz и Finocchio (1971), Fetz и Baker (1973), пищедобывательная реакция у обезьян в равной мере реализовывалась как на повышение частоты разрядов клеток прецентральной коры, контрорирующих пищедобывательное движение, так и на снижение импульсации, в зависимости от того, какого рода активность подкреплялась автоматической подачей пищи. Выработка тормозных условных реакций требовала столько же времени, как и активирующих (в среднем 6,5 мин для 33 клеток), они также стабильно сохранялись по мере подкрепления и угашались при его отмене. В экспериментах Н. Н. Василевского с соавторами (19726, в), проведенных на обездвиженных миорелаксантом кроликах, заданная частота разрядов клеток сенсомоторной коры (повышение или снижение импульсации) автоматически подкреплялась электрокожным раздражением конечности. При этом наступавшие в процессе выработки такого рода инструментальной реакции активирующие или тормозные сдвиги активности клеток всегда были направлены в сторону ухода от уровней, которые включали болевой подкрепляющий стимул.

В литературе приводятся далеко не однозначные соотношения числа нейронов с тормозными и активирующими условными реакциями в одних и тех же образованиях мозга и часто у одних и тех же представителей животного мира. Такого рода расхождения связаны, по-видимому, с рядом факторов, прежде всего с такими, как степень сложности условного рефлекса, мотивационная окраска подкрепляющего стимула и причастность данного образования к механизмам формирования и реализации поведенческого навыка. Это можно проиллюстрировать следующими примерами.

По данным Jasper с соавторами (1960), при выработке у обезьян условного рефлекса отдергивания верхней конечности на свет тормозные условные реакции, которые преимущественно предшествовали двигательному акту, проявило 62% клеток лобной коры. Согласно данным Kubota и Niki (1971), после предварительной выработки у обезьян значительно более сложных (отсроченных на 1-5 с) пищедобывательных условных рефлексов с поочередным нажатием на действующую (правую или левую) педаль подачи пищевого подкрепления тормозные условные реакции проявило только 33% клеток лобной коры, и наблюдалась такая активность в период очередного нажатия на педаль.

Olds с соавторами (1969) зарегистрировали в структурах гиппокампа, гипоталамуса и зоны инцерта 21% нейронов с тормозными условными реакциями в процессе реализации у крыс условного рефлекса неподвижного "ожидания" подачи пищи или воды на протяжении фиксированного интервала времени (1,75 с); даже небольшое движение животного в этот период автоматически отключало подачу кормушки. В другой экспериментальной ситуации при выработке у крыс обычных пищедобывательных условных рефлексов на звуковые стимулы Olds и Hirano (1969) не обнаружили в указанных образованиях мозга клеток с тормозными условными реакциями; некоторое снижение частоты разрядов в первые 300 мс односекундного действия сигнального стимула проявили только нейроны дорсального отдела ретикулярной формации ствола мозга. В последующие 700 мс эти клетки отвечали повышением частоты разрядов, и реакция в целом обоснованно оценивалась авторами как активация с длительным латентным периодом.

С другой стороны, в ситуации идентичных приемов выработки условных связей на одном и том же животном различные образования мозга также проявляют неоднозначные соотношения числа нейронов с активирующими и тормозными условными реакциями. По нашим данным, в процессе выработки у бодрствующих кроликов двигательных условных рефлексов сочетаниями звуковых стимулов с электрокожным раздражением конечности в моторной коре тормозные условные реакции выработало 42% клеток, активирующие - 58% клеток; в слуховой коре преобладали нейроны с тормозными условными реакциями - 55%, активирующие условные реакции выработало 45% клеток; во внутреннем коленчатом теле только 30% клеток проявили тормозные условные реакции, а 70% нейронов выработали активирующие ответы. Эти результаты позволяют предположить, что соотношение нейронов с активирующими и тормозными условными реакциями в каждом образовании мозга дополнительно определяется наряду с приспособительным значением и степенью сложности выработанного поведенческого акта, функциональной организацией синаптических входов для каждого из сочетаемых стимулов и механизмами их взаимодействия на уровне нейрона. Примеры нейронов с активирующими и тормозными условными реакциями на положительный сигнальный стимул представлены на рис. 27 и 28 (двигательная кора), рис. 31 и 32 (слуховая кора), рис. 34 и 35 (внутреннее коленчатое тело).

Выработка тормозных условных реакций на положительный сигнальный стимул наряду с активирующими имеет место и на синаптическом уровне анализа механизмов условной связи, как это показано в нашей лаборатории Л. Л. Ворониным и Р. Г. Кожедуб (1970, 19716). Синаптические аналоги условного рефлекса создавались на нейронах корковой зоны моторного представительства передней конечности у бодрствующих кроликов сочетаниями электрического раздражения двух точек коры. При этом "подкрепляющим" стимулом служило достаточно эффективное (пороговое для постсинаптической реакции) раздражение поверхности коры у места введения регистрирующего внутриклеточного микроэлектрода. "Условным" стимулом являлось обычно неэффективное (подпороговое) раздражение коры через электроды, отнесенные от места регистрации на некоторое расстояние каудально. По мере сочетаний "сигнального" и "подкрепляющего" стимулов около половины нейронов двигательной коры (43%) проявили способность вырабатывать идентифицированные условные связи активирующего или тормозного типа в зависимости от знака действия на клетку "подкрепления".

При активирующих формах условной связи в ответ на "сигнальную" стимуляцию возникали ВПСП, амплитуда которых постепенно возрастала до критического уровня генерации импульсных разрядов. При отмене "подкрепления" амплитуды таких ВПСП также постепенно уменьшались с прекращением генерации потенциалов действия, т. е. проявлялись эффекты угашения условной связи.

Тормозные условные реакции клеток на синаптическом уровне анализа проявлялись в постепенном угнетении механизма генерации импульсных разрядов, которое развивалось по мере сочетаний "сигнального" стимула с тормозным действием "подкрепляющего" раздражителя и часто не сопровождалось существенной гиперполяризацией мембраны клетки или достоверным уменьшением амплитуды и длительности ВПСП. На некоторые стимулы в серии, составляющей "условное" раздражение, клетки реагировали (ВПСП, амплитуды которых заметно превышали пороговый уровень генерации потенциалов действия, наблюдавшийся в ответах на другие стимулы этой серии или в других сочетаниях, что свидетельствует о повышении порога генерации импульсных разрядов. Угнетение механизма генерации спайков, вызванное сочетаниями,- явление полностью обратимое, и разрядная активность нейрона весьма легко восстанавливается при угашении такого рода тормозных условных связей. Примеры развития тормозных условных реакций клеток по механизму угнетения генерации потенциалов действия и восстановление разрядной деятельности нейрона по мере угашения тормозной условной связи представлены на рис. 26. Итак, тормозные условные реакции клеток на положительный сигнальный стимул выступают как непременный компонент формирования и реализации условнорефлекторных актов. Тот факт, что такого рода активность постепенно вырабатывается по мере сочетаний сигнального и подкрепляющего стимулов и угасает при отмене подкрепления, дает основание рассматривать ее как одну из форм внутреннего торможения наряду с дифференцировками и угашением (М. Я. Рабинович, 1969, 1970; Э. А. Асратян, 19726).

Наиболее изученные классические формы внутреннего торможения - угасательное и дифференцировочное - развиваются, как известно, при дополнительном введении в эксперимент специальных факторов, имитирующих неустойчивые либо побочные воздействия внешней среды. Как и тормозные условные реакции клеток, угасание условной связи также возникает в ответ на положительный сигнальный стимул, но только после лишения его подкрепляющей основы, т. е. когда стимул теряет свойства сигнала биологически важной для организма ситуации и приобретает, таким образом, отрицательное значение. Дифференцировочное торможение развивается как дополнительный механизм анализа стимула, выделение биологически полезного сигнала из огромного числа разнообразных воздействий среды, как один из механизмов афферентной специализации условного рефлекса.

В отличие от угашения и дифференцировок тормозные условные реакции клеток вырабатываются одновременно с активирующими реакциями воздействием одного и того же фактора - сочетаниями сигнального стимула с подкрепляющим рефлексом. При воздействии других факторов, способных угашать выработанную условную связь или дифференцировать ее реализацию, обе формы деятельности нейрона в равной степени преобразовываются, хотя и с противоположным знаком (растормаживание тормозных реакций и угнетение активирующих), составляя, таким образом, равнодействующие компоненты поведенческого акта в целом. Напомним также, что воспроизведение следов тормозных условных реакций нейронов при реализации условных рефлексов на время протекает по тем же закономерностям, что и воспроизведение следовых условных реакций активирующего типа (см. главу V, с. 166).

В этом аспекте тормозные условные реакции клеток представляют особую форму внутреннего торможения, которая органически входит в состав условнорефлекторного акта, изначально опосредуя его приспособительную точность и адекватность. При выработке локального поведенческого акта нейроны с тормозными условными реакциями на положительный сигнальный стимул осуществляют координационное торможение, постепенно ограничивая с первых же сочетаний возбудительные процессы в пределах соответствующих популяций клеток. Изначальное развитие процессов внутреннего торможения в корковых и подкорковых зонах проекции как сигнального, так и подкрепляющего стимула играет, по-видимому, важную роль в постепенном формировании клеточных механизмов афферентной и эфферентной специализации реакций организма, определяющих качественное своеобразие условного рефлекса. В этом, как допустимо думать, и заключается функциональное значение процесса торможения активности значительной части нейронов корковых и подкорковых образований мозга при воздействии положительных условных сигналов.