Селекция нейронов как основа развития и научения

Системно-селекционной концепции со­звучны современные идеи о «функцио­нальной специализации», пришедшие на смену идеям «функциональной локализа­ции», и о селективном (отбор из имеюще­гося в мозгу набора нейронов клеток с определенными свойствами), а не инст­руктивном (изменение свойств, «инст­руктирование» клеток соответствующими сигналами) принципе, лежащем в основе формирования нейронных объединений на ранних и поздних стадиях онтогенеза. G.M. Edelman привел убедительные аргументы против инструктивного прин­ципа, заключающиеся в том, что он тре­бует точной копии каждого сигнала, ко­торая может формироваться новыми структурами, включающими старые ком­поненты, или совершенно новыми струк­турами. В первом случае необходим ме­ханизм высшего порядка (гомункулус) для различения старых и новых элемен­тов; во втором — система будет быстро ис­тощена. Альтернатива — селекция.

Принцип селекции по Эдельману может быть описан следющими положе­ниями. В мозгу формируются группы нейронов, каждая из которых по-своему активируется при определенных изме­нениях внешней среды. Специфика груп­пы обусловлена как генетическими, так и эпигенетическими модификациями, происшедшими независимо от упомя­нутых изменений. Когда происходит оп­ределенное изменение среды, оно при­водит к отбору из числа имеющихся такой группы, которая, в терминах Дж. Эдельмана, может обеспечить надлежа­щую реакцию. Изменение среды и груп­па могут считаться соответствующими друг другу в том случае, если клетки пос­ледней отвечают на данное изменение более или менее специфично. Селекция имеет место уже при созревании мозга в раннем онтогенезе, в процессе кото­рого множество (50% и более) нейронов гибнет. Отобранные же клетки состав­ляют первичный ассортимент. Вторич­ный ассортимент формируется в резуль­тате селекции, происходящей в процес­се поведенческого взаимодействия со средой.

G.M. Edelman проводит аналогию между селекцией нейронов, селекцией в эволюции и клональной селекцией в им­мунологии. Принятие положения о се­лекции как основе развития на всех его этапах устраняет дихотомию между со­зреванием и научением (E.S.Reed).

2.2.6.6. Формирование элементов индивидуального опыта

В рамках системно-селекционной кон­цепции научения формирование новой системы рассматривается как фиксация этапа индивидуального развития — фор­мирование нового элемента индивиду­ального опыта в процессе научения.

Известно, что как молекулярно-био-логическое, так и морфологическое «обеспечение» достижения одного и того же результата нового поведенческого акта сразу после завершения обучения и через несколько часов или дней после этого существенно различается. Возмож­но, в процессе фиксации элемента опы­та действует принцип минимального обеспечения систем (см. 2.2.6.3).

Сравнительный анализ нейронного обеспечения реализации данного эле­мента на ранней стадии его существо­вания, когда упомянутая выше моди­фикация морфологических свойств нейронов еще не произошла, и на по­здних стадиях представляется актуаль­ной задачей.

2.2.6.7. Системная специализация и системоспецифичность нейронов

Специализация нейронов относительно вновь формируемых систем — систем­ная специализация — постоянна, т.е. нейрон системоспецифичен. В настоя­щее время обнаружены нейроны, спе­циализированные относительно самых разнообразных элементов опыта: актов использования определенных слов у лю­дей, актов «социального контакта» с оп­ределенными особями в стаде у обезь­ян, актов инструментального поведе­ния у кроликов, актов ухода за новорож­денными ягнятам у овец и т.д.

Селекция нейронов из «резерва» (ра­нее молчавших, неактивных клеток) за­висит от их индивидуальных свойств, т.е. от особенностей их метаболических «по­требностей». Можно полагать, что имен­но нарастание разнообразия метаболи­ческих «потребностей» нейронов обус­ловливает филогенетическое усложнение поведения: белковый и пептидный состав нейронов усложняется в филогенезе.

Поскольку считается, что нервная си­стема состоит из нейронов, обладающих своеобразной «индивидуальностью», по­стольку представляется логичным предпо­ложение, что число нейронов в известной мере отражает их разнообразие и предоп­ределяет поведенческие возможности. Можно полагать поэтому, что не только межвидовые, но и индивидуальные разли­чия связаны с различием в числе нейро­нов, имеющихся у сравниваемых видов или индивидов, соответственно. Аргумен­ты в пользу наличия подобной связи полу­чены недавно в экспериментах, показы­вающих наличие высоко значимой связи между числом нейронов в «заинтересован­ных» структурах мозга и способностью птиц к выучиванию специфического пове­дения — воспроизведению видовой песни: чем больше нейронов у данной птицы в этих структурах, тем более точно она вос­производит услышанные от других птиц фрагменты видовой песни.

Положение о селекции и системо-специфичности не означает абсолютной

предопределенности: как в раннем онто­генезе селекция не означает полную го­товность, предопределенность моделей результатов даже видоспецифических ак­тов — они формируются в зависимости от особенностей индивидуального разви­тия, так и у взрослого, наличие групп нейронов со специфическими свойства­ми, которые могут быть отобраны при научении, по-видимому, означает воз­можность сформировать не определен­ный акт, а определенный класс актов. Выяснение границ и характеристик по­добных классов — перспективная задача.

2.2.6.8. Системогенез или смерть

Консолидация, упрочение вновь сфор­мированной памяти включает мофоло-гические изменения нейронов, такие, например, как изменение размера си­напсов, изменение их числа [Baily, Kan-del, 1993]. Начальным звеном каскада молекулярно-биологических процессов, обусловливающих морфологические модификации нейронов как в процессе морфогенеза (ранний онтогенез), так и при консолидации формируемой в про­цессе научения памяти, является акти­вация (экспрессия) «ранних» генов. Ак­тивация «ранних» генов довольно крат­косрочный процесс (занимает около 2 часов), сменяемый второй волной экс-пресии — «поздних» генов; в составе вто­рой волны активируются морфорегуля-торные молекулы, имеющие отношение к морфологическим модификациям ней­рона [Анохин, 2001].

Активация «ранних» генов у взросло­го индивида имеет место не только при научении, но и при поражениях не­рвной системы, повреждениях тела, го­лоде, стрессе и т.д. Общим для всех этих ситуаций является то, что ранее сфор­мированные способы согласования ме­таболических «потребностей» нейронов оказываются неэффективными. Поиск новых путей согласования включает как модификации на уровне поведенческих адаптации, так и молекулярно-генети-ческие и морфологические перестройки.

Нейрон может обеспечить «потребно­сти» своего метаболизма, объединяясь с другими элементами организма в функци­ональную систему (см. 2.2.3.7). Поэтому, как в норме (научение), так и в патоло­гии (например, восстановление после ин­сультов, травматических, опухолевых и т.п. поражений мозга), когда проблему со­гласования «потребностей» нельзя ре­шить с использованием имеющихся у ин­дивида способов согласования (т.е. в рам­ках имеющегося у индивида опыта) раз­вертываются процессы системогенеза.

О формировании новой системы, на-правленнной на достижение конкретно­го результата, как о важнейшем звене механизмов научения уже шла речь выше. Адаптационные изменения орга­низации внутренней среды и соотноше­ния индивида со средой внешней, возни­кающие в условиях патологии, могут быть также рассмотрены как формиро­вание новых путей достижения положи­тельных результатов [Goldstein, 1933]. Многочисленными исследованиями ди­намики мозговой активности, напри­мер, после локальных его повреждений показано, что в интактных структурах мозга развиваются процессы реоргани­зации, обусловливающие восстановле­ние поведения, и что эти процессы со­поставимы с пластическими перестрой­ками, имеющими место при научении в норме [Alexandrov et al. 1990; Cotman et al., 1998; LeVere 1980; и др.]. В связи с этим не удивительно, что реювенилиза-ция — активация у взрослого процессов, характерных для созревания мозга в раннем онтогенезе, имеет место не толь­ко при научении в норме (см. 2.2.6.4.), но и при восстановлении после пораже­ний мозга [Cramer, Chopp, 2000).

В случае если процессы системогене­за протекают успешно, формируются но­вые системы, устанавливаются новые межнейронные соотношения, обеспечи­ваемые морфологическими перестройка­ми (в основе которых — активация гене­тического аппарата) и обеспечивающие удовлетворение метаболических «потреб­ностей» нейронов, а следовательно, и их выживание. Если же нет — рассогласова­ние между «потребностями» нейронов и их микросредой не устранено, нейроны гиперактивны, экспрессия «ранних» ге­нов затягивается: одна волна экспрессии сменяет другую. В этих случаях в нейро­нах могут экспрессироваться так называ­емые гены смерти, активация которых ведет к гибели нервных клеток [Schreiber, Baudry, 1995].

В рамках такого представления мно­жественные повторные волны экспрессии «ранних» генов на начальных стадиях он­тогенеза [Kaczmarek, Chaudhuri 1997] можно связать не только с интенсивным морфогенезом и формированием все но­вых поведенеческих актов (у многих жи­вотных за первые недели постнатального онтогенеза формируется больше полови­ны актов всего поведенческого реперту-ра (см.: [Александров, 1989]), но и с гибе­лью в этот период 50% или более из появ­ляющихся нервных клеток (см. 2.2.6.5.).

Итак, в случае возникновения рассог­ласования между «потребностями» ней­рона и его микросредой и при невозмож­ности устранить рассогласование в рам­ках имеющегося опыта как в норме (в раннем онтогенезе и у взрослого), так и в патологии у него имеется, образно гово­ря, следующая альтернатива: вовлечение в успешный системогенез или смерть. Это вовлечение может носить характер сис­темной специализации или аккомодацион­ной реконсолидации (см. 2.2.7.12.).

Логично полагать, что особенно ча­сто второй вариант развития событий — смерть — имеет место в условиях пато­логии. Но не только. Можно предполо­жить, что в случаях, когда индивид ока­зывается в «неизбегательной» ситуации (что в субъективном плане может вести к депрессивному состоянию) или в си­туации обучения долго не способен ре­шить очень сложную проблему также имеет место нарастание частоты смер­ти нейронов.

Необходимо подчеркнуть здесь не только негативный, но и позитивный, в общеорганизменном плане, аспект гибе­ли нейронов. Выше отмечалось, что гибель клеток в раннем онтогенезе — харак­теристика, присущая нормальному созре­ванию. Фатальный для отдельных клеток исход — гибель — может оказываться не­избежной платой за возможность осуще­ствления успешного системогенеза и да­лее: на протяжении всего индивидуального развития. Неизбежной, возможно, в том случае, если метаболические «потребно­сти» каких-либо клеток вступают в неус­транимое противоречие с теми новыми способами согласования «потребностей» клеток индивида, формирование которых диктуется необходимостью соответство­вать изменившимся условиям внешней и/ или внутренней среды и выражается в об­разовании новых систем и изменении межсистемных отношений.