Проекция структуры памяти на структуры мозга

Переход от механистических морфо-функциональных и рефлекторных представлений к системным означает смену парадигмы [Кун 1977] в изучении нейрональных основ поведения и психики и дает новое понимание всех традиционных проблем. Например, такая проблема как «локализация психических функций» может быть поставлена как проблема «проекции структуры памяти на различные морфологические структуры мозга». Системоспецифичность нейронов позволяет выяснить, какие структуры содержат элементы каких функциональных систем поведенческих актов.

Анализ поведенческой специализации нейронов различных областей мозга, проведенный в наших экспериментах, показал, что, во-первых, одинаково специализированные нейроны обнаруживаются в различных областях и, следовательно, образуют системы элементов различной морфологической принадлежности; во-вторых, что различные области мозга отличаются по содержанию нейронов различной поведенческой специализации. При сопоставлении данных по различным областям мозга, полученных в экспериментах на разных кроликах, но со строго одинаковой последовательностью этапов обучения, обнаружено следующее. Нейроны, специализированные относительно приобретенного в экспериментальной камере поведения (поведение у одной кормушки и у педали) максимально представлены в корковых областях и почти не встречаются в филогенетически более древних структурах (гипоталамус, мозжечок, латеральное коленчатое тело) "и в периферических структурах (обонятельная луковица и зрительный тракт). Нейроны же врожденной пищедобывательной специализации (жевание, захват пищи вообще) пред-

%

ставлены как в коре, так и в других структурах. Нейроны древних локомоторных специализаций имеются во всех структурах, кроме обонятельной луковицы, в которой почти исключительно представлены нейроны, связанные с дыханием и специализированные относительно древних соотношений с запаховой средой. Тем не менее, даже в обонятельной луковице обнаруживаются нейроны, активность которых модулируется различными движениями [Карпов, Горкин 1986].

Корковые области по содержанию нейронов различных систем не эквипотенциальны и, например, антеролатеральная «моторная кора» отличается, в соответствии с нашим критерием специализации, от зрительной главным образом тем, что в ней содержится значительно больше нейронов, специализированных относительно древних актов именно пищедобывательного поведения (захват пиши, жевание и т.п.), в то время как в зрительной — в большем числе представлены нейроны древних локомоторных систем (повороты головы, движения в определенном направлении и пр.). Нейроны сетчатки и обонятельной луковицы отличаются специализацией относительно конкретных древних поведенческих актов (пространственные соотношения со средой и соотношения с пахнущими объектами).Различие специализаций клеток разных областей коры относительно приобретенных актов пищедобывательного поведения отражает, вероятно, историю формирования этих областей в эволюции и их разные связи с древними структурами мозга и, следовательно, с конкретными древними функциональными системами актов, отобранными в фило- и онтогенезе.

Как известно, в морфологии нервной системы отражается ее филогенез. Однако, усложнение нервной системы в эволюции происходит за счет генетической изменчивости. Естественный же отбор имеет дело не с морфологическими образованиями самими по себе, а с поведенческими актами, которые становятся возможными при использовании элементов этих новообразований.

Эксперименты, проведенные в школе П.К-Анохина и приведшие к созданию теории системогенеза [1968], показали, что в онтогенезе элементы мозга различной анатомической принадлежности и элементы различных органов тела созревают избирательно, причем именно так, чтобы к моменту рождения могли

быть обеспечены именно жизненно важные соотношения новорожденного организма со средой. Точно также в индивидуальном обучении новая система специализированных нейронов в коре может сложиться и реализоваться во внешнем поведении, только избирательно вовлекая системы всех предыдущих временных уровней, именно тех, взаимосодействие которых таким образом изменяло соотношение организма со средой, что достигался полезный результат новой системы.

Мы приходим, следовательно, к выводу, что различные специализации нейронов различных структур мозга отражают не историю морфогенеза структур нервной системы с различными функциями, а историю успешных поведенческих актов, накопленных организмом в процессах проб и ошибок в филогенезе и индивидуальном обучении. Как показывают наши данные, чем более древними являются структуры мозга, тем больше они содержат нейронов древних специализаций.

В пользу того заключения, что специализация нейронов отражает именно системогенез, а не морфогенез нервной системы, говорят и данные о сохранении большого числа нейронов, специализированных относительно приобретаемого в раннем онтогенезе поведения [Spinelli 1978]. В отсутствие «усиленного использования большинство нейронов, которые могли бы обеспечивать подобное поведение, по-видимому, гибнет. В онтогенетических исследованиях [Hirsh, Levental 1978] показано, что депривация действительно приводит к гибели большого числа нейронов.

Поскольку разные структуры имеют различный эволюционный возраст, то возрастным различием и соответственно различными предельными уровнями системной специализации нейронов, например, таких структур как гипоталамус и кора, можно объяснить и большую связь активности нейронов гипоталамуса «пищевым значением», а нейронов коры — с «деталями» предъявляемых объектов [Rolls a.oth. 1977,1979], и специфические эффекты стимуляции или разрушения этих структур, которые можно трактовать как реализацию в поведении, или, напротив, исключение из памяти «глобальных», эволюционно древних (в случае гипоталамуса) или весьма дифференцированных и индивидуально приобретенных (в случае коры) систем. Но, даже эволю-

ционно одновременно возникшие структуры имеют различные проекционные отношения с телом, что обусловливает их участие в одних и неучастие в других конкретных системах, поскольку любой результат достигается той или иной организацией телесных процессов. Участием нейронов разных структур в перекрывающихся, но различных совокупностях систем можно объяснить и большую связь активности нейронов зрительной коры с разнообразными движениями, а моторной коры — с целями, что обнаруживается при феноменологическом анализе специализаций нейронов этих областей [Александров 1989]. Неравномерной

распространенностью нейронов одной и той же системы по разным областям можно объяснить и некоторую специфичность дефектов поведения при повреждениях этих структур, хотя любые повреждения, естественно, приведут и к «эффекту массы», обнаруженному КЛешли.

Анализ процесса обучения позволяет предполагать, что древние системы оказывают на надстроенные над ними более молодые системы активирующее воздействие, а более молодые системы частично тормозят свои старые системы и между собой находятся во взаимно реципрокных отношениях. Наиболее древние системы включают элементы периферических и древних мозговых структур. Состояние каждой системы определяется как изнутри организма, т.е. в конечном итоге потребностями генетической программы, выполнению которой и служит поведение, так и снаружи, т.е. в конечном итоге — текущими соотношениями организма со средой. Изнутри организма, например, при пищевой депривации, как показывают многочисленные данные, активация начинается с древнейших филогенетических систем, нейроны которых расположены в древних структурах, таких как гипоталамус […], и захватывают все более молодые системы, вплоть до специализированных относительно индивидуально

приобретенного опыта и расположенных в коре. Воздействие факторов среды также приводит к активации систем от древнейших к новейшим, и увеличение латентных периодов ответов нейронов на стимулы от периферии к центру является выражением именно этого «вовлечения систем», а не коррелятом кодирования свойств стимула или проведения афферентного сигнала. В пользу этого заключения говорят следующие факты:

1) Даже в проекционных областях ранние ответы нейронов (с латенцией 10-30 миллисекунд) соотносятся с параметрами стимула лишь по типу да—нет.

2) С тем же латентным периодом ответы появляются и у нейронов «моторных структур», таких как двигательная кора, мозжечок, альфа- и гамма-нейроны спинного мозга. С тем же латентным периодом они появляются и в самых разных структурах мозга, а том числе в афферентных волокнах нестимулируемого анализатора (Швырков 1978].

Это говорит о том, что стимул вызывает именно «движение» системных процессов, обусловленное влиянием более древних систем на более молодые. Кроме отношений, складывающихся между системами разного уровня, на каждом уровне также существуют сложные межсистемные отношения. О реципрокных и, напротив, синергических отношениях между разными системами врожденного поведения говорят известные со времен Ч.Шеррингтона реципрокность мотонейронов флексоров и экстензоров и всевозможные синергии, отражающие сложные, как облегчающие, так и тормозящие влияния между врожденными прасистемами. Между системами индивидуально приобретенного опыта, к которым принадлежат главным образом корковые нейроны, также существуют, как мы уже отмечали, различные как облегчающие, так и тормозящие взаимовлияния.

Поведенческая или системная специализация нейронов означает, что появление спайков какого-либо нейрона является свидетельством активации соответствующей функциональной системы. Чем больше таких нейронов активировано и чем чаще их импульсная активность, тем в большей степени соответствующий элемент субъективного опыта извлечен из памяти. Это означает, что по активности специализированного в отношении системы данного акта нейрона, появляющейся во время осуществления других актов, можно составить представление о существующих межсистемных отношениях.

При реализации внешне одного акта индивидуально приобретенного поведения, например такого, как подход к педали, одновременно активируются многие системы разного возраста, как индивидуально приобретенные, такие как подход и пребывание в углу педали, так и врожденные, такие как любое движе-

ние направо, любое горизонтальное движение, любое движение лап и т.п. Нейроны, специализированные относительно поведенческих актов, осуществляемых у кормушки, и поведенческих актов на другой стороне клетки, в это время постоянных активаций не дают. Это наблюдение показывает, что системы индивидуального опыта находятся в сложных отношениях между собой и с врожденными системами, причем структура отношений между системами приобретенного опыта отражает последовательность этапов обучения. Отношения же между конкретной системой приобретенного опыта и врожденными системами отражает историю успешных проб данного приобретенного акта, что требует, вероятно, возможности перестройки межсистемных отношений даже среди врожденных систем.

Нейроны индивидуальных специализаций могут давать непостоянные, слабые активации и в таких актах, которые не были связаны в истории обучения и не связаны в последовательном поведении. В одном из экспериментов, например, из 17 «нейронов подхода и нажатия на левую педаль», 3 нейрона давали непостоянные активации при подходе и нажатии на правую педаль (в этих актах общая цель при противоположном направлении движений и другой среде); 3 нейрона — при одинаковом направлении движений вне зависимости от среды и целей; 2 нейрона — при нахождении кролика в левой половине клетки (общая среда). У 4 нейронов в тех актах, где они давали непостоянные активации, не удалось определить чего-либо общего с подходом и нажатием на левую педаль, и 5 нейронов вообще не имели непостоянных активаций, кроме «предваряющих» [Швырков 1983].

Эти наблюдения позволяют предполагать, что прасистемы врожденного опыта, активируемые со стороны потребностей и целей, среды или состояний зрела, могут оказывать облегчающее влияние па те функциональные системы индивидуального опыта, при формировании которых они были использованы, и тормозящее влияние — на другие.

Таким образом, мы приходим к выводу, что структура памяти и изменения в этой структуре, происходящие при формировании новой системы индивидуального поведения, а также межсистемные отношения в этой структуре проецируются весьма сложным образом на структуры мозга.

Закономерности межсистемных отношений необходимо еще изучить, однако, если даже виды межсистемных отношений ограничиваются лишь реципрокностью систем одного уровня, произошедших из общей прасистемы, и синергичностью данной системы и всех ее прасистем, очевидно, что наличие в памяти множества систем разного уровня и соотносящих организм с разными конкретными ситуациями в среде, должно создавать весьма сложную динамику межсистемных отношений, определяющую состояние в любой момент каждой системы.

Специализация нейронов разных областей мозга обычно выглядит весьма стандартной и одинаковой у разных животных одного вида, что и позволяет составлять атласы мозга этих животных. Однако, данные онтогенетических исследований, показывающие возможность изменения специализаций нейронов при изменении нормального видоспецифического онтогенетического развития, показывают, что, возможно, лишь определенная стадийность и поэтапность этого видового онтогенеза в значительной степени обусловливает сходство морфологии мозга и специализаций нейронов, устанавливаемых в аналитических экспериментах.

В экспериментах, проведенных в нашей лаборатории Ю.И Александровым и Ю.В.Гринченко [Alexandrov a.oth. 1990], было показано, что после двустороннего удаления зрительных областей у кроликов восстановление приобретенного поведения сопровождалось увеличением в антеролатеральной моторной области доли нейронов, специализированных относительно новых актов, таких как нажатие на педаль, и сокращением доли нейронов старых специализаций, таких как захват пищи. В результате соотношение специализаций в моторной коре сдвигалось в сторону имеющегося в норме в зрительной. Полученные факты позволяют предположить, что нейроны запаса, которые в норме не используются, являются, вероятно, не только созданным в эволюции резервом обучения» но и резервом восстановления повреждений нервной системы. При этом первичным является, вероятно, восстановление метаболизма мозга и специализаций нейронов в соответствии с потребностями нейронов прасистем, что уже вторично создает впечатление дополнительного обучения кролика новому поведению.

Наши эксперименты позволили рассмотреть проекцию на разные структуры мозга только жизненного опыта, полученного кроликом в экспериментальной клетке, и частично, древних систем пищедобывательного поведения. Данные литературы свидетельствуют о том, что и другие виды поведения, такие как сексуальное, оборонительное и т.д. [...], также представлены специализированными нейронами, относящимися к системам разного уровня, в различных структурах мозга [...].