Заключение

Несмотря на очевидные успехи микроэлектродного анализа условного рефлекса, наши представления нейрофизиологических основах замыкания все еще достаточно фрагментарны и требуют дальнейших интенсивных поисков. Бесспорно также то, что клеточные механизмы условной связи - только один из существенных аспектов структурно-функциональной организации условного рефлекса и его замыкательного механизма в частности. Проблема в целом включает как дальнейшее изучение разнообразных форм приспособительного поведения, их мотивацию и основных принципов становления и реализации, так и молекулярные основы замыкания, определяющие в конечном счете качественное своеобразие условного рефлекса. Решение проблемы может быть достигнуто совокупностью этих подходов, их взаимопроникновением, что приведет к искомой "пригнанности" пока еще разрозненных фактов различных уровней анализа.

Вместе с тем огромный опыт изучения условнорефлекторных связей в поведенческих экспериментах, возможности нейрофизиологического анализа и все возрастающее развитие нейрохимических и ультраструктурных подходов выявили подлинное место и роль "чисто" клеточных механизмов замыкания. В этой совокупности подходов клеточные механизмы приобретают значение связующего звена между ними.

На решающих этапах выработки условного рефлекса клеточные механизмы замыкания обеспечивают встречу на уровне отдельных нейронов условного и безусловного стимулов, в результате которой между ними устанавливается своеобразная и прочная связь. Те же механизмы формируют устойчивое взаимодействие между вовлеченными в условнорефлекторный процесс нейронами, активность которых способна реализовать приобретенную приспособительную реакцию организма либо затормозить ее в зависимости от требований внешней среды. В то же время синаптические аппараты клеток, их пресинаптические и постсинаптические компоненты опосредуют специфическую природу молекулярных сдвигов в нейрохимической организации нейрона и реализуют конечный результат совершенных в пределах субклеточных структур преобразований, что определяет свойства, знак и значение сигнала на выходе клетки.

Для выработки условной реакции нейрону необходимы дополнительные синаптические входы: в зонах проекции подкрепляющего рефлекса - для сигнального стимула, а в зонах проекции условного раздражителя - для подкрепляющего стимула. Эти входы у одной части клеток функционируют изначально, а у другой начинают функционировать по мере сочетаний под влиянием воздействий на нейроны подкрепляющего фактора.

Появление ответов клеток на ранее неэффективные сенсорные стимулы имеет место и вне сочетаний, при воздействии на нейроны анодного поляризующего тока, либо когда животное находится в состоянии умеренного хлоралозового наркоза. В известной мере полисенсорная активность клеток может быть вызвана и таким адекватным для организма фактором, как двигательная реакция животного при электрокожном раздражении конечности.

Особенно результативными оказались исследования синаптических механизмов конвергенции и взаимодействие стимулов различной сенсорной и биологической модальности на нейронах моторной коры наркотизированных хлоралозой кошек. Хлоралоза способствовала появлению ответов клеток на все испытанные стимулы (свет, звук, электрокожное раздражение конечности, пороговое для вызова двигательной реакции), в том числе и у тех нейронов, которые в контрольных пробах ни на один из этих стимулов не реагировали. На фоне хлоралозового наркоза практически все нейроны реагировали на все испытанные стимулы коротколатентными ПСП, сходными по форме и временному течению.

Удивительное сходство основных параметров постсинаптических реакций на ряд гетеромодальных стимулов послужило поводом предположить, что первичная конвергенция сигналов осуществляется на предшествующих клетках в цепи нейронов, после чего они подходят к исследуемому нейрону по одному общему пути. Однако последующий анализ показал, что общий путь существует только для пары раздражителей, которая включает биологически значимый сигнал - электрокожное раздражение конечности. Вычисление частных коэффициентов корреляции латентных периодов ПСП выявило достоверную корреляцию в реакциях на электрокожное раздражение и на какой-либо из сенсорных стимулов - свет или звук; частная корреляция между латентностями ответов на свет и звук отсутствовала.

Появление реакций клеток на ранее индифферентные стимулы в связи с изменением условий деятельности свидетельствует о функциональной природе явления и конвергенции на нейронах сигналов гетерогенных модальностей, основанной, по-видимому, на механизмах включения и выключения соответствующих афферентных входов.

Становление механизмов конвергенции сочетаемых стимулов на одном нейроне представляет собой важный этап в формировании условных связей, обеспечивающий соприкосновение и взаимодействие условного и безусловного раздражителей. Однако существо становления условной реакции заключается в механизмах перехода от полисенсорной активности нейрона к специализированным ответам только на стимулы, приобретающие сигнальное значение. Такие механизмы были в известной мере раскрыты экспериментами, в которых применялись сочетания поляризации нейронов анодным током (модель подкрепления) с действием сенсорных стимулов. Оказалось, что многократное предъявление на фоне поляризации клетки какого-либо сенсорного стимула ведет к установлению относительно устойчивой связи между следами поляризующего тока и следами сенсорного раздражения, которая в последействии поляризации избирательно воспроизводится только использованным стимулом; даже весьма близкие раздражители той же модальности не способны вызвать подобную реакцию нейрона. Эти наблюдения могут означать, что на уровне нейрона происходит "сцепление" следов двух разнородных раздражителей, которое имитирует механизмы афферентной специализации клеточных реакций.

В сложившейся условной связи на клеточном уровне механизмы "сцепления" следов условного и безусловного раздражителей отчетливо проявляют себя при пропусках в сочетании подкрепляющего стимула или при последовательных пропусках нескольких сочетаний в целом в условном рефлексе на время. При пропусках подкрепления сигнальный стимул способен воспроизвести следовую реакцию на подкрепляющее раздражение с интервалом его отставления в сочетаниях. При реализации следовой активности нейрона в условных рефлексах на время имеет место раздельное воспроизведение реакций на сигнальный и подкрепляющий стимулы с интервалами отставления последнего в предшествующих сочетаниях.

Как наиболее существенный результат анализа следовых реакций клеток на пропущенный в сочетаниях подкрепляющий стимул и при реализации условных рефлексов на время выступают два весьма своеобразных и важных явления. Во-первых, следовые реакции, как правило, более интенсивны и совершенны по структуре разрядов (преобладание физического типа активности) по сравнению с ответами на наличные стимулы в сочетаниях. Во-вторых, наиболее интенсивные и совершенные реакции возникают чаще всего не в первом пропуске сочетания, как можно было ожидать, а в последующих пропусках, иногда через несколько минут после предшествующей стимуляции. Более совершенное воспроизведение и отсроченных "следовых реакций нейронов рассматривается нами (как клеточный аналог реминисценции, феномена, хорошо известного в психологии памяти.

Важной особенностью анализа условного рефлекса на клеточном уровне следует считать способность нейронов вырабатывать на положительный сигнальный стимул активирующие и тормозные условные реакции. Активирующая либо тормозная форма условной активности клетки может определяться знаком действия на нее как подкрепляющего, так и сигнального фактора, в зависимости от соотношения функционирующих на данном нейроне синаптических входов возбуждающего и угнетающего действия. Эти соотношения различны в зонах проекций условного и безусловного стимулов.

При выработке двигательных условных рефлексов сочетаниями звуковых стимулов с электрокожным раздражением конечности активирующая или тормозная форма условных реакций клеток в корковой зоне проекции подкрепления (двигательная кора) определяется знаком действия на нейрон безусловного раздражения независимо от характера первоначального ответа на звуковой стимул. В (корковой зоне проекции условного раздражения (слуховая кора) уже только около ²/₃ клеток вырабатывают условные реакции по знаку ответа на подкрепление, а более ¹/₃ нейронов проявляет условную активность в соответствии с активирующим или тормозным действием сигнального стимула. У большинства нейронов внутреннего коленчатого тела активирующая или тормозная форма условной реакции вырабатывается под влиянием знака действия па клетку условного сигнала и примерно только ¹/₄ нейронов проявляет условную реакцию в соответствии со знаком действия подкрепления.

Предложена схема, которая в общих чертах объясняет, каким образом происходит перестройка знака реакции клеток на сигнальный стимул. Если на нейроне число тормозных синаптических входов для подкрепления превышает число возбуждающих входов для сигнального стимула, то при сочетаниях, когда оба стимула конвергируют на общих вставочных клетках тормозного действия (которые в данной ситуации должны преобладать), постепенно будет вырабатываться тормозная условная реакция. В случаях, когда на нейроне число возбуждающих синаптических входов больше для сигнального стимула (как это преимущественно имеет место в зонах его проекции), чем число тормозных входов подкрепления, сочетания и возникающая при этом конвергенция обоих стимулов на возбуждающих вставочных клетках приведут к выработке активирующей условной реакции. Существенную роль при этом играют специальные механизмы растормаживания, открытые Wilson, Burgess (1962) в спинальных структурах, которым Eccles (1969) придает большое значение в деятельности и более высоких уровней мозга, включая неокортекс.

В аспекте анализа механизмов взаимодействия сигнального и подкрепляющего раздражителей на клеточном уровне представляют интерес нейроны, у которых по мере появления ответов на условный стимул изменялась реакция на подкрепление. У нейронов с активирующими условными реакциями этот феномен проявляется в виде угнетения разрядов на подкрепляющий стимул, часто до полного их торможения на фоне хорошо выраженного безусловнорефлекторного движения конечности. У нейронов с тормозными условными ответами снижение частоты разрядов на сигнальный стимул сопровождается растормаживанием реакции на подкрепляющее раздражение в виде значительного повышения частоты импульсации по сравнению с ответами на изолированное действие безусловного стимула в контрольных пробах. Торможение и растормаживание эффектов подкрепления проявило около 25% клеток двигательной коры из числа выработавших условные реакции, около 16% клеток слуховой коры и около 30% клеток внутреннего коленчатого тела.

Известные в настоящее время общие принципы организации тормозных и растормаживающих путей позволяют отнести такие нейроны к элементам, использующим в своей деятельности аксонные коллатерали возвратного действия через системы тормозных и возбуждающих клеток и наделенным механизмами растормаживання. Без участия последних трудно объяснить повышение частоты разрядов на подкрепление, которое предваряется угнетением реакции на сигнальный стимул у нейронов с тормозной формой условной активности. Эти наблюдения подтверждают предположение Eccles (1969) о распространенности механизмов растормаживания в центральной нервной системе. Весьма важным представляется тот факт, что "чисто" нейрофизиологические механизмы возвратного действия и растормаживания проявляют новые свойства условнорефлекторной природы: включаются сочетаниями сигнального стимула с подкрепляющим рефлексом и выключаются при его отмене в процессе угашения.

Следует иметь в виду, что пластические свойства нейронов, достигающие поразительного совершенства в процессе выработки разнообразных условных реакций, опосредованы как особенностями тонкой структурно-функциональной организации самого нейрона, так и особенностями его связей и взаимодействия с другими клетками, составляющими клеточные ансамбли (А. Б. Коган, 1972), микросистемы клеток (М. М. Хананашвили, 1972) или популяции нейронов (Н. П. Бехтереза, 1971)

Становлению новых форм интеграции и взаимодействия элементов в пределах популяции условно реагирующих клеток обычно предшествуют интегративные процессы на уровне отдельных нейронов, которые заверяются "сцеплением" условного и безусловного стимулов. Интеграция на клеточном уровне совершается либо о механизму присоединения к безусловному ответу на подкрепляющий стимул выработанной реакции на сигнальный раздражитель, либо присоединением к адекватной реакции на сигнальный стимул выработанного света на подкрепление. Наиболее яркими примерами первого типа интеграции могут служить нейроны коровой зоны проекции безусловного раздражителя (моторная кора) при выработке двигательных условных рефлексов. Второй тип интеграции отчетливо выражен в таламических релейных образованиях сенсорных систем, например у нейронов внутреннего коленчатого тела при выработке условных рефлексов на звуковые стимулы.

К числу наиболее существенных особенностей условного рефлекса, характеризующих своеобразие выработанного поведения, относится приобретенное свойство отвечать только на определенный сенсорный сигнал строго специализированным приспособительным актом, т. е. то, что принято обозначать как механизмы афферентной и эфферентной специализации реакций на условный стимул. Сейчас намечаются возможные пути экспериментального анализа становления этих механизмов, основанных, как можно думать, на "сцеплении" следов сигнальной и подкрепляющей стимуляции в пределах отдельных нейронов.

Из анализа эффектов сочетания поляризации клеток действием сенсорных стимулов в модельных экспериментах и процесса выработки условных реакций нейронов различных корковых и подкорковых образований мозга следует, что по мере сочетаний функциональные свойства клеток претерпевают эволюцию, отражающую становление механизмов афферентной специализации

До первых сочетаний стимула с подкрепляющим рефлексом нейроны проявляют преимущественно адекватно-моносенсорные реакции, т. е. большинство из них отвечает на стимулы адекватной сенсорной модальности стабильными коротколатентными разрядами. По мере последующих сочетаний эти же нейроны приобретают способность отвечать на стимулы различных сенсорных модальностей и параметров; их активность становится полисенсорной. Появление полисенсорных реакций у нейронов соответствует фазе генерализации условного рефлекса, когда положительное действие обнаруживают не только сигнальный, но и другие сенсорные раздражители. Наконец, при достаточно упроченном условном рефлексе ответы нейронов снова приобретают моносенсорный характер, но в данном случае это уже специально моносенсорные реакции на стимул определенной модальности и физических параметров, т. е. избирательная реакция только на стимул, который приобрел сигнальное значение для поведенческого акта.

Появление специально моносенсорных реакций хорошо видно при первых применениях дифференцировочных стимулов той же модальности, но других параметров, на которые клетки, как правило, совершенно не реагируют. Появляющиеся в последующем ответы на дифференцировочные стимулы в виде торможения разрядов клетки при активирующих условных реакциях либо растормаживание активности при тормозных условных реакциях постепенно вырабатываются чередованием подкрепляемых и неподкрепляемых раздражителей одной сенсорной модальности.

Убедительные результаты, имеющие отношение к становлению механизмов эфферентной специализации нейронов, получены в так называемых экспериментах с обратной связью. Суть их заключается в том, что подкрепляющий стимул пищедобывательных или оборонительных инструментальных рефлексов автоматически включается только при достижении соответствующими нейронами заданных экспериментатором уровней активности (Н. Н. Василевский и др., 19726, в; Fetz, Finocchio, 1971, 1972; Fetz, Baker, 1973).

Такое направленное взаимодействие реакций нейронов, контролирующих инструментальное движение с мышцами конечностей, реализующих эти акты, позволяет обучить животное использовать оптимальные для организма ситуации.

В экспериментах Н. Н. Василевского с сотрудниками заданная частота разрядов (повышение или снижение имлульсации) клеток сомато-сенсорной зоны коры большого мозга кроликов автоматически подкреплялась электрокожным раздражением конечности животного. В результате наступавшие в процессе выработки такого рода инструментальной реакции активирующие или тормозные сдвиги в активности клеток всегда были направлены в сторону ухода от уровня разрядов, который включал болевой подкрепляющий стимул.

По данным Fetz и сотрудников, у обезьян после длительной тренировки удавалось добиться изолированной активности одной из четырех мышц верхней конечности, осуществляющих сгибание и разгибание предплечья и кисти при реализации пищедобывательного условного рефлекса. Работа одной мышцы, напряжение которой избирательно подкреплялось, была устойчиво связана с предшествующими движению разрядами клеток зоны ее проекции в моторной коре. Ряд известных в литературе фактов позволяет полагать, что такого рода эфферентная специализация нейронов формируется воздействием прицельной проприоцептивной импульсации от мышечных рецепторов, которая возникает при локальных двигательных актах, составляющих подкрепляющий рефлекс.

Внутриклеточные исследования нейронных аналогов условного рефлекса, выработанных у кроликов сочетаниями неэффективной и эффективной электростимуляции различных точек корковой поверхности, позволили выявить некоторые синаптические механизмы замыкания. Около половины исследованных нейронов моторной зоны коры проявило способность вырабатывать идентифицированные условные связи возбуждающего или тормозного типа в зависимости от знака воздействия на клетку достаточно эффективного подкрепляющего стимула.

При возбуждающих формах условной связи в ответ на условный стимул возникали ВПСП, амплитуда которых постепенно возрастала до критического уровня генерации потенциалов действия. При отмене подкрепления амплитуды таких ВПСП также постепенно уменьшались с прекращением генерации спайковых разрядов, т. е. проявлялись эффекты угашения. При тормозных формах условный стимул вызывал постепенно развивающееся угнетение механизма генерации импульсных разрядов, которое не сопровождалось существенной гиперполяризацией мембраны клетки или достоверным уменьшением ВПСП. При угашении тормозных условных связей генерация потенциалов действия восстанавливалась.

Тормозная условная активность клеток рассматривается как особая форма внутреннего торможения, которая с первых же сочетаний ограничивает возбуждение в пределах популяции клеток, реализующих поведенческий акт. Допускается, что и другие формы внутреннего торможения различаются по основным свойствам и механизмам. Клеточный аналог угашения выступает как процесс уменьшения ВПСП с прекращением генерации спайковых разрядов, в основе которого лежат, вероятнее всего, механизмы уменьшения или прекращения выброса передатчика из пресинаптических терминалей. Эти механизмы включаются отменой подкрепляющего фактора. Дифференцировка клетками подкрепляемых и неподкрепляемых стимулов реализуется, по-видимому, различными синаптическими входами для этих раздражителей, и поддерживается воздействиями на клетку подкрепляющего фактора в предшествующих дифференцировкам сочетаниях по механизму типа гетеросинаптической сенситизации.

Нейрофизиологический анализ механизмов замыкания на клеточном уровне позволяет заключить, что в основе каждого условнорефлекторного акта лежит особая функциональная организация популяции нейронов большого ряда корковых и подкорковых образований мозга, приобретших способность воспроизводить сложную структуру следов предшествующих сочетаний в ответ на один сигнальный стимул. Такие условнорефлекторные акты, хорошо известные и изученные, обозначены нами как сигнально-детерминированные. Наряду с сигнально-детерминированными реакциями существует класс условно-рефлекторных актов, которые также возникают по механизму воспроизведения следов ранее выработанных навыков, но без непосредственного участия внешних сигналов, и которые в отличие от первых были обозначены как центрально-детерминированные реакции.

Центрально-детерминированные условные рефлексы реализуются чисто следовыми процессами, которые отличаются рядом особенностей: они более интенсивны, более совершенны по структуре разрядов и способны достаточно длительно проявлять эти свойства при сравнительно редких подкреплениях. Вместе с тем обе формы реакций неразрывно связаны общими Механизмами формирования, по своему содержанию обусловлены прошлым опытом и опосредуются одними и теми же клеточными и синаптическими механизмами. Различия между ними касаются лишь условий их воспроизведения применительно к наличной ситуации.

Предполагается, что центрально-детерминированные условные реакции, непосредственно вытекающие из сигнальной деятельности и неразрывно с нею связанные, составляют нейрофизиологическую основу элементарных психических актов, включая произвольные движения.