Текст книги "Основы физиологии высшей нервной деятельности"

Автор книги: Александр Коган

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 30 страниц)

Рис. 17. Изменение ЭЭГ человека при выработке условного двигательного рефлекса на звук метронома. А – после 10 сочетаний; Б – после 28 сочетаний; В – после 80 сочетаний (по А.Б. Когану):

1 – включение метронома, 2, 3 – отведение от левой и правой роландовых борозд, 4 – от височной коры, 5 – электромиограмма общего разгибателя пальцев руки, реагирующей движением, 6 – отметка времени (1 с)

Исследование фоновой ритмики при выработке условных пищевых и оборонительных рефлексов у кроликов в условиях свободного поведения показало учащение колебаний ЭКоГ и укорочение периода условного ответа. При этом наблюдали сходный характер изменений электрической активности при пищевом и оборонительном рефлексах. В специальных опытах с созданием пищевой (голодание) или оборонительной (болевое раздражение) доминанты в коре, ретикулярной формации и лимбических структурах возникали синхронизированные колебания, отражающие высокий уровень неспецифической активации. Эта активация проявлялась не только в учащении импульсов ответов нейрона на условные раздражители, но и в периоды между их предъявлением (рис. 18). Так в деятельности нейронов отражались фазические и тонические компоненты ее перестроек при образовании как пищевых, так и оборонительных условных рефлексов. Однако прямо противоположная реакция в случае пищевого или болевого подкрепления сигнала означает, что проявившаяся в электрической активности неспецифическая активация избирательно действует на структуры мозга, реализующие процессы разного биологического значения. Пищевое подкрепление условного рефлекса придает ему эмоционально-положительный, а оборонительное – эмоционально-отрицательный характер.

Рис. 18. Тонические и фазические импульсные реакции нейронов гиппокампа при условном пищевом (А) и оборонительном (Б) рефлексах (по Б.И. Котляру, Н.О. Тимофеевой):

А – уровень фоновой активности между сочетаниями, Б – усредненное количество импульсов за 1 с в разные этапы условно-рефлекторной деятельности; чертой отмечено время действия условного раздражителя, треугольником – момент условной реакции

Процессы образования временных связей находят отражение и в сверхмедленных колебаниях потенциалов (СМКП). Так, при выработке у кролика условного оборонительного рефлекса на световой сигнал, сопровождаемый электрокожным подкреплением, наблюдали закономерные изменения СМКП. При этом в начальный период увеличиваются амплитуда и частота СМКП в коре и ряде подкорковых структур, достигая максимума при генерализации рефлекса. Прочное его закрепление сопровождается уменьшением СМКП до полного исчезновения, а угашение рефлекса вновь их вызывает. При выработке условных рефлексов у кроликов происходил сдвиг потенциалов коры вначале в сторону позитивности, а затем негативности, нарастающей по мере укрепления рефлекса. Такую негативизацию рассматривают как показатель деполяризации, обусловливающей местное возбуждение.

Обнаружение связи медленных электрических процессов с психической деятельностью человека (Н.П. Бехтерева, 1966) было исходным для целого направления исследований их динамики, например при обучении иностранным словам или использовании для анализа нейрофизиологических механизмов мнестической деятельности и процесса формирования матрицы долгосрочной памяти. В последнее время СМКП связывают с метаболическими процессами, влияющими на электродный потенциал, а их сдвиги, наблюдаемые при выработке условного рефлекса, обозначают как колебания биоэлектрохимической активности.

Таким образом, при формировании временных связей динамика электрических реакций десинхронизации основной ритмики сверхмедленных потенциалов и усвоения ритма условного раздражителя отражает вначале широкий охват возбуждением неспецифических и специфических систем на корковом и подкорковом уровнях. Он соответствует стадии генерализации условного рефлекса, по мере закрепления которого происходит сосредоточение этих электрических реакций в специфических структурах корковых проекций сигнала и двигательного ответа, а также в подкорковых образованиях.

Вызванные потенциалы. Рассмотренное выше явление усвоения ритмов раздражения представляет собой серии укороченных вызванных потенциалов, в которых полное развитие каждого из них прерывается возникновением следующего. В более полном виде вызванные потенциалы (ВП) с их первичными ответами и поздними компонентами выявляются при относительно редких (1–2/с) раздражениях и могут быть использованы как показатели динамики процессов высшей нервной деятельности. В результате многочисленных исследований изменений ВП в зоне сигнального раздражителя при образовании временных связей накопились разнообразные и во многом противоречивые сведения о закономерностях этих изменений.

Так, в первых исследованиях динамики ВП проекционных зон сигнального раздражителя при выработке условного рефлекса одни авторы отмечали его увеличение, другие – уменьшение, третьи – вообще ставили под сомнение наличие закономерной корреляции между ходом образования условного рефлекса и изменениями ВП. Видимо, причина противоречивых результатов состояла в том, что изменения ВП в чрезвычайной степени зависят от стадии образования условного рефлекса (генерализованного или специализированного, непрочного или упроченного), от локализации отведения (проекция условного или безусловного раздражения, первичные или вторичные сенсорные зоны), от вида, возраста и состояния объекта.

Дальнейшие исследования наглядно показали наличие такой зависимости. Изменения ВП происходят по стадиям формирования условного рефлекса. В большинстве случаев начало образования временной связи может сопровождаться некоторым снижением величины ВП. На стадии генерализации условного рефлекса иррадиация возбуждения в коре мозга проявляется в виде усиления и широкого распространения ВП почти на все области коры и укорочения латентных периодов их ответов на раздражители.

На стадий упрочения условного рефлекса происходит ограничение области возникновения ВП, отражающее концентрацию процессов возбуждения в его исходном очаге. При этом величина и форма ВП приближаются к исходным. Обобщение результатов исследования динамики ВП в сопоставлении с другими показателями выработки условных рефлексов позволило заключить, что процесс отражения окружающего мира меняет свой характер на разных этапах условно-рефлекторной деятельности. Например, начальное увеличение с последующим снижением негативной волны ВП соответствует восстановлению угашенной реакции внимания. Возрастание амплитуды негативной волны идет параллельно приобретению условным раздражителем сигнального значения.

Сравнение динамики ВП в разных проекционных зонах коры показало, что его уменьшению в зоне проекции сигнального раздражителя может соответствовать возрастание величины ВП в зоне проекции безусловного, служащего подкреплением. Однако в случае инструментального условного рефлекса отношения усложняются. Так, в зоне проекции конечности, выполняющей инструментальное действие, ВП концентрируются на очень ограниченном участке, но оказываются более выраженными в области коркового представительства сигнала. В начальных стадиях образования временных связей ВП указывают на преобладание активности первичных сенсорных зон, потом возрастает роль вторичных.

Особое значение за последнее время приобретает изучение динамики поздних компонентов ВП, следующих за первичным ответом, его позитивных и негативных медленных волн. Так, при выработке зрительных оборонительных условных рефлексов отмечались закономерные перестройки именно поздних волн ВП на вспышки света. Особенно выраженные изменения происходили в медленной негативной волне. Наряду с изменениями формы и амплитуды основных компонентов ВП появлялись новые, ранее не имевшие места волны потенциалов. Если сигналом для условного оборонительного рефлекса сделать низкочастотное раздражение неспецифических ядер таламуса, то в комплексе корковых потенциалов вовлечения по мере выработки рефлекса формируется дополнительная поверхностно-положительная волна, которая при его угашении постепенно исчезает. В то же время поверхностно-отрицательная волна ВП, регистрируемого в ограниченном участке коркового представительства конечности, совершающей оборонительное движение, оказывается более стабильной. Выработка оборонительного условного рефлекса на свет при подкреплении электрокожным раздражением приводит к тому, что ВП на оба эти стимула становятся сходными по своей форме.

Таким образом, динамика вызванных потенциалов, так же как и фоновой ритмики, отражает процессы иррадиации и концентрации возбуждения, главным образом в структурах коры разной глубины, и характер их связи с подкоркой. Поздние и дополнительные компоненты, возможно, связаны с процессами формирования временных связей.

Реакции нервных клеток. Применение микроэлектродов, погружаемых в нервную ткань, позволило исследовать электрическую активность отдельных нейронов при условно-рефлекторной деятельности. Для этого держатель микроэлектрода с регулятором его погружения укрепляли на голове подопытного животного, например обезьяны. Когда был выработан условный оборонительный рефлекс отдергивания руки на вспышки света, то импульсные ответы корковых нейронов на эти вспышки отличались от ответов до выработки условного рефлекса. Характерно, что изменения импульсных ответов у одних нейронов протекали в сторону усиления разряда, а у других – в сторону его ослабления. В этом проявляется сложная функциональная организация коркового процесса условного возбуждения как динамической мозаики возбужденных и заторможенных нейронов.

Соотношение нейронных реакций, отражающих центральные процессы условного возбуждения, оказывается различным в областях коры, осуществляющих разные функции.

Таблица 1. Распределение возбуждающихся и тормозящихся нейронов в разных корковых областях мозга обезьяны при действии условного светового раздражителя (по Г. Джасперу и др.)

Как видно из табл. 1, в зонах проекции условного раздражителя и представительства двигательной реакции возбуждающихся нейронов зафиксировано примерно втрое больше, чем тормозящихся, а в зонах коры, выполняющих ассоциативные и интегративные функции (теменных и лобных), преобладали тормозящиеся нейроны, которых было почти вдвое больше, чем возбуждающихся. Видимо, для осуществления интегративных функций, более сложных, чем начальная обработка информации, в первичных проекционных зонах возрастает роль торможения, формирующая тонкую мозаику нейронной активности. В опытах на кошках также оказалось, что в областях, не являющихся зонами проекции условного и безусловного раздражителей, преобладают тормозящиеся нейроны. Однако в опытах на кроликах более половины нейронов и в зоне представительства условного слухового раздражителя отвечали на сигнал торможением. Доля нейронов, реагирующих торможением на сигнал, увеличивалась и в первичной соматосенсорной зоне мозга крысы при выработке мигательного рефлекса.

Роль тормозящихся нейронов в процессе образования условного рефлекса может заключаться в ограничении числа действующих синаптических связей, выделении специфических рецептивных полей и, тем самым, выделении необходимой информации из исходного шума. Вместе с тем анализ межнейронных связей в слуховой коре кошки показал, что при выработке условного рефлекса на звук усиливались возбудительные связи.

Характер условных реакций нейронов во многом зависит от организации их рецептивных полей. Так, нейроны, получающие сигналы от ограниченных полей, например кожной рецепции, оказываются наиболее стабильно реагирующими и мало меняют свои ответы на афферентное раздражение, когда он становится условным. Нейроны, получающие сигналы от распространенных полей рецепции, реагируют более вариабельно в связи с динамикой формирования условного рефлекса, что указывает на их более близкое отношение к механизму образования временных связей.

Так, в двигательной области коры кролика «обучающихся» нейронов было 78 % среди бимодальных, т.е. отвечающих на два рода раздражений, и только 34 % среди мономодальных, т.е. отвечающих лишь на раздражения одного рода. В коре мозга кошки 90 % полимодальных нейронов являются «обучающимися».

Способность нейронов включаться в условные реакции в значительной мере зависит от уровня возбудимости, о которой можно судить по частоте их фоновой импульсации. Именно нейроны высокой возбудимости, на которые сходятся сигналы от многих полей рецепции, играют важную роль в механизме образования временных связей. Вероятно поэтому нейронов, проявляющих условные реакции, в первичных проекционных полях оказалось меньше, чем во вторичных, где сопоставляется информация, приходящая по многим путям.

Так, в первичном зрительном поле 17 «обучающихся» нейронов было лишь 18 %, в то время как во вторичном зрительном поле 18 их оказалось 68 %. Вместе с тем «обучающиеся» клетки в большем или меньшем количестве можно найти в любой структуре мозга.

Активность «обучающихся» нейронов изменяется в соответствии со степенью выраженности внешних проявлений условного рефлекса и зависит от факторов, влияющих на эти проявления. Например, насыщение животного пищей ведет к уменьшению проявлений его пищевых условных рефлексов и резкому снижению условных реакций корковых нейронов. При инструментальных условных рефлексах такая зависимость наглядно показана для нейронов лобных отделов коры мозга обезьяны (рис. 19).

Рис. 19. Участие нейрона лобной коры обезьяны в реализации инструментального условного пищевого рефлекса в зависимости от потребности в пище. А – исходное состояние; Б – после еды; В – сытое животное не реагирует на сигнал; Г – другой вид пищевого подкрепления восстанавливает рефлекс:

а – нейронограмма, б – перистимульная гистрограмма, по оси координат – количество импульсов, стрелкой отмечен пусковой сигнал рефлекса

Странность, на первый взгляд, условных ответов корковых нейронов на действие сигнального раздражителя состоит в том, что их латентные периоды оказывались более длительными, чем при применении этого раздражителя как индифферентного (до сочетаний с безусловным). Так, некоторые корковые нейроны кошки при выработке оборонительного условного рефлекса на звуковой сигнал могли увеличивать латентный период своего импульсного ответа более чем втрое, от 30 до 100 мс. Для объяснения этого феномена, вероятно, следует исходить из того факта, что включение нейронов в механизм временной связи меняет их положение в нейронных сетях проведения возбуждения и состояние синаптической проводимости. Гистограммный анализ показал, что удлинение латентного периода получено в среднем из сложения удлиненных латентных периодов реакций одних нейронов и укороченных латентных периодов реакций других нейронов. Поэтому можно думать, что при формировании временных связей происходит наряду с усложнением путей передачи сигналов образование нейронных цепочек облегченного их проведения.

На этапе генерализации вырабатываемого условного рефлекса начинают вовлекаться нейроны обширных областей коры и подкорковых структур, гиппокампа, гипоталамуса, ретикулярной формации среднего мозга. По мере укрепления рефлекса реакции нейронов идут на убыль, прежде всего в неспецифических областях и подкорковых структурах, а затем в коре. Специализация условных реакций сопровождается уменьшением числа «обучающихся» клеток, что, видимо, отражает процессы концентрации условного возбуждения. Уменьшаются ответы нейронов как в зоне проекции безусловного, так и условного раздражителей. Однако в специфических подкорковых путях проявления условных реакций сохраняются, в то время как они идут на убыль в корковых зонах проекции условного и безусловного раздражителей.

Например, у кроликов при выработке оборонительного условного рефлекса на звук возникшая вначале условная реакция при дальнейшем укреплении рефлекса практически исчезала у 20–30 % нейронов в слуховой и двигательной зонах коры, хотя в подкорковой области слухового пути (внутреннем коленчатом теле) такую затухающую активность обнаруживали лишь 16 % нейронов. При достаточно длительном многократном повторении сочетаний, обеспечивающем высокую прочность вырабатываемого условного рефлекса у кошек, можно было достичь практически полного возвращения импульсных реакций значительной части нейронов на сигнальный раздражитель к тому уровню, когда этот раздражитель был индифферентным (табл. 2).

Таблица 2. Динамика условных реакций 100 нейронов коры мозга кошки при выработке и упрочении зрительно-двигательного условного рефлекса (по А.Б. Когану)

Из табл. 2 видно, что такие показатели условных реакций популяций нейронов, как средняя частота импульсов в ответе и его характер при очень прочном укреплении рефлекса, возвращаются в исходное состояние. От них отстают показатели латентных периодов, имеющие еще высокие значения. Наиболее стабильными оказались условные изменения коэффициентов корреляции импульсных разрядов. Обратное развитие условных реакций именно корковых нейронов при упрочении условного рефлекса можно объяснить концентрацией возбуждения, покидающего исследуемые нейроны, или «передачей» автоматизированного навыка на более низкие уровни управления. Однако сохранение при этом показателей корреляции импульсных потоков, установившихся в результате выработки условного рефлекса, указывает на то, что если при формировании временной связи происходят изменения деятельности обширных популяций нейронов, то после завершения процесса его наличие проявляется главным образом в новых сложившихся при этом межнейронных отношениях.

Сопоставление латентных периодов импульсных ответов нейронов и вызванного потенциала показало, что началу первичного ответа соответствует интенсивная активация нейронов в зоне проекции условного раздражителя, к которой присоединяется основная масса реагирующих нейронов в зоне проекции безусловного раздражителя, а более позднему, негативно-позитивному колебанию ВП соответствует тормозная пауза и посттормозный импульсный разряд нейронов.

Исследования нейронной активности мозга человека, проводимые с помощью хронически вживленных с лечебной целью электродов, позволили выявить отражение в этой активности различных форм психической деятельности человека, в том числе процессов обучения (подробнее см. в гл. 17).

Процессы замыкания временных нервных связей при образовании условного рефлекса. Несмотря на многочисленные исследования, до сих пор нет единого мнения о том, что представляют собой процессы замыкания при образовании условного рефлекса, хотя существует много гипотез, каждая из которых подкрепляется солидным фактическим материалом. Одна из причин такой ситуации может состоять в том, что на разных этапах эволюции эти процессы могут иметь различную природу. Так, не вызывает сомнений, что внутриклеточные временные связи простейших, образующиеся при выработке у них примитивных условных реакций, существенно отличаются от межклеточных временных связей в нервной системе. Однако и условные нервные связи далеко не однородны по способу образования, проявлениям и, вероятно, механизмам их осуществления.

Исходя из свойств рефлексов было выделено шесть уровней эволюционного совершенствования их временных связей (Л.Г. Воронин, 1979). Первый уровень – суммационный рефлекс, когда в результате повторных, до того не вызывавших реакции раздражений возрастает возбудимость структур синапса и он становится проходимым. Второй – реализует явления так называемого привыкания, когда повторные раздражения, ранее вызывавшие реакцию, приводят к гиперполяризации синапсов и снижают реакцию до полного прекращения. Третий – несамовосстанавливающиеся условные рефлексы с нестойкой временной связью. Четвертый – истинные условные рефлексы со стойкой временной связью. Пятый – комбинационные условные рефлексы, где создаются сложные множественные взаимообусловленные межнейронные связи. Шестой – абстрактно-логические связи, характерные для процессов человеческого мышления (имеет сложную организацию и включает конструкции второй сигнальной системы).

Естественно предполагать, что при формировании столь различных по своему назначению и устройству механизмов обучения приспособительному поведению могут быть использованы разные способы образования временных связей. Отсюда различие и трудность сопоставления результатов, полученных на разных объектах. Вместе с тем для всех видов временных связей, во всяком случае между нервными клетками, центральным остается вопрос о мембранных механизмах повышения эффективности синапсов и организации нейронных сетей.

За последнее время получено немало фактов о нейронных механизмах условного рефлекса, начинают накапливаться сведения о роли в этих механизмах синаптических и мембранных процессов. Образование временных связей, изучаемое методом условных рефлексов, лежит в основе явлений памяти; этот материал подробно изложен в гл. 3.