Текст книги "Основы физиологии высшей нервной деятельности"
Автор книги: Александр Коган
сообщить о нарушении
Текущая страница: 8 (всего у книги 30 страниц)
длинной линией под абсциссой обозначено время действия условного раздражителя, короткой линией под ней – <...> безусловного, двумя длинными линиями – действие условного раздражителя без безусловного
Одна из особенностей тормозных реакций нейронов состоит в том, что они угашаются быстрее, чем возбудительные. Так, в опытах с угашением условных рефлексов показано, что в то время как условные реакции возбуждающихся нейронов угашались постепенно и не полностью, реакции тормозящихся нейронов быстро исчезали. При этом наиболее устойчивыми оказывались те фазы импульсного ответа нейрона, которые соответствовали времени бывшего подкрепления. Отмечены существенные различия реакций нейронов разных отделов мозга на развитие внутреннего торможения. Например, нейроны ретикулярной формации среднего мозга крысы при неподкреплении сигнала пищевого рефлекса очень быстро перестают него реагировать, а нейроны гиппокампа еще продолжают отвечать, лишь уменьшив частоту импульсов. Указывают, что импульсные ответы нейронов гиппокампа обладают более высокой точностью дифференцирования по сравнению с другими подкорковыми структурами. Особенности динамики нейронных реакций при выработке условного торможения описаны при исследовании слуховой и моторной коры, а также внутреннего коленчатого тела у кроликов.
В опытах на зрительной коре морской свинки было показано, что тормозные влияния осуществляются от периферических частей микроансамблей нейронов к их центральным частям.
По поводу нейронов, тормозящихся даже при осуществлении условных рефлексов, было высказано предположение, что они представляют особую форму внутреннего торможения, которая сопутствует каждому акту условно-рефлекторной деятельности, и обеспечивают его приспособительную точность. Однако такое определение роли тормозящихся нейронов встретило возражение, согласно которому в описываемой ситуации речь идет не о внутреннем, а о координационном торможении, обеспечивающем точность выполнения условного рефлекса.
Таким образом, условное торможение проявляется в специфической организации возбужденных и заторможенных нейронов, участвующих в создании временной связи, и различных их взаимоотношениях в разных структурах коры и подкорковых образованиях мозга.
Нейрофизиологический механизм внутреннего торможения. О нейрофизиологии внутреннего торможения высказывались разные предположения. Так, И.П. Павлов (1927), не решая окончательно вопрос о его природе, считал возможным рассматривать развитие внутреннего торможения при неподкреплении как результат перевозбуждения клеток коркового представительства сигнала, которые при подкреплении предохранялись от этого затормаживанием. Исследование свойств угасательного торможения привело к сходному заключению о том, что оно является фазой перевозбуждения возбудительного очага. Другое предположение исходило из того, что при неподкреплении ослабляются прямые временные связи от зоны корковой проекции условного раздражителя к зоне безусловного и усиливаются обратные, по которым активируются апикальные дендриты выходных пирамидных нейронов в зоне представительства безусловного рефлекса. Такое локальное возбуждение дендритов создает электротоническую блокаду синапсов, и рефлекс прекращается (И.С. Беритов, 1956). Другим источником локального возбуждения апикальных дендритов пирамид могут быть неспецифические структуры таламуса (А.И. Ройтбак, 1958).
Исходя из того, что рабочее состояние высших отделов мозга обусловливается тоническим восходящим активирующим влиянием ретикулярной формации среднего мозга, условное торможение рассматривали как результат снижения этого влияния. Дальнейшие исследования показали, что для развития внутреннего торможения. Важное значение имеет изменение тонуса ретикулярной формации (Б.И. Котляр, 1977). Однако это не единственная причина внутреннего торможения.
По другому предположению, ведущую роль в угнетении условных рефлексов играет антагонист мезэнцефалической системы – восходящая «синхронизирующая» таламокортикальная система (Г. Мегун, 1956). Считают также, что поскольку автостабилизация корковых процессов поддерживается «превентивным» торможением (П.В. Симонов, 1965), его углубление при действии неподкрепляемых раздражений образует внутреннее торможение.
На основании сходства ряда электрофизиологических показателей реализации положительных и отрицательных условных рефлексов, особенно при тонких дифференцировках, условное торможение рассматривают как возбуждение, ослабленное отсутствием обратной афферентации от исполнительных органов ввиду отсутствия подкрепления (Ю.Г. Кратин, 1967). Неподкрепление условного рефлекса само по себе становится сигналом «неблагополучия» и создает «трудное состояние», возникновение которого по механизму внешнего торможения задерживает рефлекс (П.К. Анохин, 1968). Различия порогов реакций, вызываемых безусловным и условным раздражителем, объясняют частичным торможением центральных структур собственного рефлекса на раздражитель, который сделали условным, а отмена подкрепления нарушает этот механизм, вызывает перевозбуждение и охранительное торможение в элементах временной связи (Э.А. Асратян, 1970).
Существует мнение, что внутреннее торможение есть не что иное, как образование нового рефлекса, в котором подкреплением является отсутствие безусловного раздражителя (Ю. Конорски, 1970). Условное торможение по многим своим проявлениям и электрофизиологическим показателям обнаруживает свойства доминанты, которая становится очагом нераспространяющихся возбуждений (В.С. Русинов, 1969). Если образование условного рефлекса происходит путем «прокладывания связей» между сигналом и доминантным очагом безусловного рефлекса, то при отсутствии подкрепления предполагают накопление в представительстве сигнального стимула нераспространяющегося возбуждения, образующего своеобразный локальный доминантный очаг. Поскольку образование пути условного возбуждения определяется пространственной синхронизацией и когерентностью ритмов активности (М.Н. Ливанов, 1972), их рассогласование препятствует распространению возбуждения по путям временных связей. Этому соответствуют данные о том, что при выработке дифференцировки двигательного рефлекса на звук коэффициенты корреляции импульсных потоков нейронов слуховой и ассоциативной коры кошки ранее положительные становятся отрицательными.
На основании результатов опытов, в которых изучали влияние симпатической части нервной системы на высшую нервную деятельность, был сделан вывод о ее участии в механизме формирования внутреннего торможения. Было высказано предположение, что выработка дифференцировочного торможения представляет собой образование нового рефлекса с подкреплением из памяти. Исследование процессов внутреннего торможения на нейронном и системном уровнях привело к заключению о существенной роли в его механизме явлений возвратного торможения и развития гиперполяризационных процессов в коре. Недавно представлены факты, свидетельствующие о том, что при изучении механизма внутреннего торможения следует учитывать изменения тонуса активности нейронов коры и подкорковых структур головного мозга.
Если относить к внутреннему все виды торможения, которые вырабатываются, то к нему принадлежит и торможение, возникающее при многократном повторении любого афферентного раздражения, которое приводит к угашению ориентировочной реакции на него. Такие явления «привыкания», или «габитуации», в сущности представляют собой случаи угашения натурального условного рефлекса. За последнее время они детально изучены на нейронном и молекулярном уровнях на гигантских нейронах беспозвоночных. При этом найдено, что угашение реакции втягивания жабер у аплизии сопровождается снижением моносинаптических ВПСП мотонейрона в результате уменьшения выброса медиатора из пресинаптических терминалей в синаптическую щель. Исследование квантового состава выделяющегося в синапс медиатора на примерах привыкания нервных клеток виноградной улитки и нейронов коры и гиппокампа кролика показало, что во всех случаях имело место уменьшение числа, а в некоторых случаях и объема квантов.
Несмотря на обилие работ по изучению внутреннего торможения, остается еще много неясного в его механизмах.
Глава 5
ДИНАМИКА ПРОЦЕССОВ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Вся сложная и разнообразная деятельность высших отделов нервной системы построена на работе двух основных нервных процессов – возбуждения и торможения. Протекая в подвижных пространственных и временных отношениях друг с другом, эти процессы то разливаются (иррадиируют), то сосредоточиваются (концентрируются), то возбуждение порождает торможение (отрицательная индукция), то торможение дает начало возбуждению (положительная индукция). Непрерывное взаимодействие движущихся и вызывающих друг друга возбудительных и тормозных процессов создает в высших отделах мозга чрезвычайно тонкую мозаику, колеблющийся узор из переплетения возбужденных и заторможенных нейронов. Такие мозаики лежат в основе как различных актов поведения, так и их торможения в явлениях сна.
Иррадиация и концентрация нервных процессов
Возбуждение или торможение, возникшие в какой-либо клетке или группе клеток мозга, не остаются неподвижными, а всегда склонны к распространению. Распространение нервного процесса из очага его возникновения на окружающие нервные клетки называется иррадиацией.
Иррадиация торможения. Иррадиацию условного торможения удобно наблюдать в кожном анализаторе. Широко развернутая кожная поверхность тела является как бы увеличивающим зеркалом, в котором можно ясно видеть, как по последовательно расположенным проекционным полям будет иррадиировать тормозное состояние, например дифференцировочное торможение.
Иррадиацию дифференцировочного торможения обнаружили в следующем опыте.
Вдоль задней ноги собаки от стопы до бедра наклеивали пять «касалок» – приборов для механического раздражения кожи (рис. 35). Четыре верхние касалки использовали как сигналы условных пищевых слюноотделительных рефлексов. Эти рефлексы укрепляли, пока их слюноотделительный эффект не стал приблизительно одинаковым. Нижняя касалка служила дифференцировочным раздражителем и применялась без подкрепления едой, пока не перестала вызывать даже малейшего слюноотделения. Если теперь, вслед за применением дифференцировочной касалки, попробовать положительные раздражители, то оказывается, что слюногонное действие последних претерпевает закономерные изменения.
Рис. 35. Опыт с иррадиацией дифференцировочного торможения по корковым клеткам кожного анализатора:
– дифференцировочный раздражитель, 1, 2, 3, 4 – положительные условные раздражители (прикладываются к пунктам кожи ноги на расстоянии от дифференцировочного раздражителя соответственно на 3, 9, 15 и 22 см)
В классических опытах Н.Н. Красногорского и Б.А. Когана условный рефлекс на каждую из положительных касалок составлял 5 капель слюны за 30 с. Но каждый раз, когда дифференцировочная касалка создавала очаг торможения, начинали изменяться и соседние положительные рефлексы. Следовательно, торможение выходит за пределы своего очага и захватывает соседние клетки анализатора, в данном случае те, на которые проецируются кожные пункты положительных касалок. Далее видно, что в одинаковых условиях минутного интервала после троекратного действия дифференцировочной касалки условные рефлексы с положительных касалок изменяются по-разному, в зависимости от расположения последних относительно дифференцировочной. Так, рефлекс с ближайшего пункта (касалка 1) оказался полностью заторможенным. Рефлекс с пункта, расположенного несколько дальше (касалка № 2), был только уменьшен. Рефлексы с остальных пунктов, расположенных еще дальше, не только не испытали торможения, но даже усилились. Следовательно, иррадиирующее торможение оказывает тем более сильное воздействие на клетки анализатора, чем ближе они находятся к тормозному очагу. По своей природе иррадиация торможения – это развитие ТПСП на все большей территории коры, но не истинное движение процесса.
Концентрация торможения. После широкой иррадиации наступает сосредоточение, концентрация торможения в месте своего возникновения. Этот процесс тоже удобно проследить на примере дифференцировочного торможения в кожном анализаторе. Опыты проводили так же, как и при наблюдении иррадиации, но положительные рефлексы с каждого пункта кожи испытывали в различные сроки после окончания действия тормозного раздражителя. При помощи такого приема можно увидеть, как сначала далеко распространившееся тормозное состояние начинает сосредоточиваться, возвращаясь к исходному пункту.
При своем концентрировании торможение проходит в обратной последовательности все те пункты проекционных полей анализаторов, которые оно захватывало в своем поступательном движении.
Что собой представляет процесс концентрации торможения? Здесь не исключены две возможности. Первая заключается в том, что распространившееся торможение рассеивается, затухает на периферии и занимаемая им территория постепенно уменьшается. Вторая возможность – это подъем обратной волны торможения к тому месту, откуда оно распространилось. Последнее более вероятно, как, например, упрочение дифференцировки сопровождается усилением тормозного процесса. Следовательно, концентрация торможения связана не с рассеиванием и ослаблением, а с его сосредоточением и усилением.
Скорость иррадиации и концентрации торможения в коре головного мозга собаки. Скорость иррадиирования тормозного состояния удалось измерить в кожном анализаторе. Для этого определяли время развития вторичного торможения условного рефлекса на раздражение пункта кожи, находящегося в известном удалении от первично угашаемого. Опыты проводили следующим образом. В разных местах тела собаки приклеивали к коже касалки. На все касалки вырабатывали условные пищевые слюнные рефлексы и укрепляли их до одинаковой величины. Затем наносили повторные раздражения какой-либо одной касалкой без подкреплений до тех пор, пока не достигали исчезновения слюноотделения. Как только эта касалка проявляла свое тормозное действие, испытывали состояние рефлекса с другого пункта. На основании ряда таких испытаний в разные сроки после вызова угасательного торможения и при разных расстояниях испытуемых пунктов от его очага определяли время иррадиирования (Б.А. Коган).
В этом опыте вторично затормаживаемые пункты испытывали медленно после раздражения, давшего нулевой результат, т.е. без всякого промежутка времени между ними. В этот момент, как видно, торможение из пункта, соответствующего правой стороне груди еще не успело распространиться дальше ближайших участков. До области, например, правой предплюсны оно еще не дошло. Однако постепенно увеличивая промежутки времени от тормозного раздражения до момента испытания рефлекса, можно уловить момент, когда торможение дойдет до пункта, соответствующего правой предплюсне. Оказалось, что процесс иррадиирования торможения по нервным клеткам коры протекает очень медленно. Для прохождения области одного только кожного анализатора торможению требуются минуты.
Продолжая увеличивать промежуток времени между моментом приложения тормозного раздражителя к одному пункту и моментом испытания рефлекса с другого пункта, можно определить и скорость концентрирования угасательного торможения в кожном анализаторе.
Абсолютные величины времени концентрации тормозного процесса, как и времени его иррадиации, сильно зависят от индивидуальных особенностей подопытных животных, однако их соотношение оказалось довольно постоянным у всех испытуемых собак. Как правило, иррадиирование происходит в 4–5 раз быстрее, чем последующее концентрирование.
Иррадиация возбуждения. Опыт, показывающий иррадиацию возбудительного процесса, в некоторых отношениях напоминает описанные выше опыты с иррадиацией торможения.
У собаки вдоль задней ноги от плюсны до таза на примерно одинаковом расстоянии друг от друга приклеивали пять касалок (рис. 36). На действие самой нижней касалки (№ 1) вырабатывали условный рефлекс слюноотделения, подкрепляемый вливанием раствора кислоты в рот собаки. При первом испытании и другие касалки (№ 2, 3, 4 и 5) как сходные раздражители тоже вызывали слюноотделение. Поэтому необходимо было выработать дифференцирование этих касалок, применяя многократно касалку № 1 с подкреплением, а остальные касалки – без подкрепления. Теперь только касалка № 1 вызывала слюноотделение, а остальные превратились в тормозные сигналы.
После такой подготовки приступали к главной части опыта. Включали положительную касалку № 1 на 15 с и сразу после ее выключения действовали отдифференцированной касалкой № 2. Однако ее действие тоже вызывало слюноотделение. Это означало, что пункт кожного анализатора, соответствующий касалке № 2, обычно находящийся в тормозном состоянии, сразу после возникновения очага возбуждения в пункте, соответствующем касалке № 1, тоже оказался в возбужденном состоянии. Иначе говоря, возбуждение из пункта касалки № 1 в это время распространилось на пункт касалки № 2. Если испытать таким образом и какой-либо другой, более удаленный пункт кожного анализатора, то можно судить о районе такой иррадиации. Эти опыты показали, что иррадиирующее возбуждение по мере удаления от очага своего развития постепенно ослабевает.
Рис. 36. Опыт с иррадиацией возбуждения по корковым клеткам кожного анализатора:
1 – положительный условный раздражитель, 2, 3, 4, 5 – дифференцировочные раздражители
В другом варианте опытов под наблюдение была взята более обширная область кожного анализатора. Касалки располагали от конца передней лапы через все туловище до конца задней лапы. Первая касалка на конце передней лапы была положительным сигналом, а все остальные – дифференцировочными. Испытания дифференцировочными касалками показали, что уже через 0,5–1 с по прекращении положительного сигнала возбудительный процесс обнаруживается на соседних пунктах.
Таким образом, иррадиация возбуждения в коре мозга происходит гораздо быстрее, чем иррадиация торможения, и требует менее секунды для распространения по области кожного анализатора.
Через некоторое время после положительного сигнала соседние пункты анализатора вновь оказываются в прежнем тормозном состоянии. Это означает, что волна возбуждения успела уже разлиться по коре и вновь сосредоточиться в исходном пункте.
Индукция нервных процессов
Движение основных процессов высшей нервной деятельности определяется не только свойствами иррадиации и концентрации, но и свойствами их взаимной индукции. Индукцией называется свойство каждого из основных нервных процессов вызывать вокруг себя и после себя противоположный процесс.
Положительная индукция из очагов угасательного и дифференцировочного торможения. В опытах с иррадиацией угасательного торможения по кожному анализатору часто наблюдают такое явление: повторение раздражения какой-либо одной касалкой без подкрепления способствует полному угасанию условного рефлекса с раздражаемого пункта кожи. Однако сразу после этого раздражение касалкой с другого отдаленного пункта выявляет этот рефлекс в резко усиленном виде. Возникший в первом пункте очаг сильного торможения индуцировал в отдаленном пункте возбуждение, привел этот пункт в состояние повышенной возбудимости.
Еще более четко явление положительной индукции было выявлено в специальных опытах на примере индукции, развиваемой дифференцировочным торможением. Так, у собаки вырабатывали условный пищевой рефлекс слюноотделения, в котором сигналом служило раздражение касалкой кожи передней лапы. Другая касалка была установлена на задней ноге. Ее применяли без подкреплений, так что скоро она приобрела тормозное значение дифференцировочного раздражителя. На включение дифференцировочной касалки слюноотделения не наступало, однако испробованный сразу после нее положительный раздражитель давал резко усиленный рефлекс (табл. 7).
Измерение силы условного рефлекса количеством слюны обнаруживает, что торможение в пункте задней лапы усилило условное возбуждение в пункте передней лапы почти на 50 %. Следовательно, в данном случае положительная индукция произошла из очага торможения в дальнем пункте анализатора.
Таблица 7. Положительная индукция из очага дифференцировочного торможения в кожном анализаторе (по Д.С. Фурсикову, 1922)
Однако мозг часто дифференцирует раздражители, связанные с одним и тем же пунктом анализатора, но отличающиеся друг от друга по силе или характеру воздействия. Будет ли в таких случаях проявляться положительная индукция? Ответ на этот вопрос дает следующий опыт. У собаки был выработан условный пищевой рефлекс на сильный свет, от него отдифференцировали слабый свет. Затем сильный свет был испробован сразу после слабого. И здесь условный слюнной рефлекс, вызванный сразу после дифференцировочного, увеличился почти на 50 %. Следовательно, в данном случае положительная индукция произошла из очага торможения в том же пункте анализатора.
Таким образом, положительная индукция может проявляться в различных анализаторах и при разных отношениях тормозного очага и положительно индуцируемого рефлекса.
Отрицательная индукция из очага возбуждения в очаг торможения. Явления отрицательной индукции можно продемонстрировать в следующем опыте. У собаки образован условный пищевой рефлекс на метроном 120 ударов/мин. К этому положительному раздражителю выработана дифференцировка метронома 60 ударов/мин. Как известно, дифференцировку очень легко разрушить, если начать сопровождать дифференцировочный раздражитель подкреплением. И действительно, после того как несколько раз метроном 60 ударов/мин применили с подкармливанием, он сам начал вызывать слюноотделение. Это простой и безотказный способ уничтожения тормозного очага.
Однако при помощи некоторых средств можно задержать разрушение дифференцировки, т.е. продлить существование очагов условного торможения. В частности, таким средством оказалось применение положительных сигналов, т.е. создание очагов условного возбуждения. Это видно из следующих опытов.
Например, собаку подкармливают после каждого применения метронома с частотой 60 ударов/мин до тех пор, пока у нее не начнет сильно выделяться слюна (разрушение дифференцировки). Тогда применяют с подкреплением один раз метроном с частотой 120 ударов/мин. В результате используемый вслед за ним метроном <...часть числа не видна…>0 ударов/мин, который только что вызывал слюноотделение, сразу теряет свое действие. Дифференцировка при этом восстанавливается, что связано с возникновением рядом очага возбуждения. Этот очаг отрицательно индуцировал, т.е. затормозил клетки пункта метронома с частотой 60 ударов/мин, и индукционное торможение усилило остатки дифференцировочного.
Таким образом, положительный сигнал благодаря отрицательной индукции укрепляет свое дифференцирование от близких отрицательных сигналов.
Мозаика возбуждения и торможения в высших отделах нервной системы. Взаимодействие иррадиирующих и индуцированных нервных процессов создает необычно сложное и меняющееся от момента к моменту их уравновешивание и территориальное разграничение. В результате возбуждение и торможение образуют дробный рисунок подвижной мозаики, непрерывно меняющей свои очертания.
В свое время И.П. Павлов говорил о том, какую замечательную картину вспыхивающих и затухающих, непрерывно перемежающихся мерцаний мы увидели бы на поверхности мозга, если бы его возбужденные пункты светились.
Эта мысль Павлова получила осуществление при изучении движения нервных процессов по коре больших полушарий с помощью методики электроэнцефалоскопии (М.Н. Ливанов, В.М. Ананьев, 1960). Электроэнцефалоскоп позволяет наблюдать мозаику электрической активности коры мозга при одновременном отведении из <…часть числа не видна…>00 ее пунктов и воспроизводит на экране телевизионной трубки непрерывно возникающие и меняющиеся подвижные картины, которые фиксируются киносъемкой (рис. 37). Такой «телевизор» мозга значительно расширяет возможности объективного изучения пространственной динамики активности коры при условно-рефлекторной деятельности.
Рис. 37. Перераспределение очагов активности в коре мозга кролика при выработке условного двигательного рефлекса на зрительное раздражение (по М.Н. Ливанову):
кадры киносъемки из опыта с сочетаниями вспышек света и изоритмических электрокожных раздражений лапы, яркость каждой точки на экране топоскопа отражает величину электрической активности этого пункта в данный момент (обратить внимание на постепенную концентрацию активности в районе двигательного и зрительного анализаторов)
