Классический условный рефлекс

Классические условные рефлексы первым описал в начале XX века русский фи­зиолог И.П. Павлов (1949; 19516). Он увидел в них простейшую форму обу­чения, при которой образуется ассоциативная связь между двумя события­ми. Первым событием является безусловный рефлекс — врожденная реакция организма на специфический для него раздражитель (например, выделение слюны при появлении пищи в полости рта или сосательный рефлекс у но­ворожденных, заключающийся в возникновении сосательных движений у младенца при помещении соска в рот).

Вторым событием является условный сигнал. Условным сигналом может стать любой раздражитель, который многократно сочетается с безусловным рефлексом. В первом предъявлении этот раздражитель будет индифферент­ным (незначимым) для субъекта. Однако в процессе многократного сочета­ния условного раздражителя с безусловным рефлексом между ними обра­зуется ассоциативная связь — условный рефлекс.

В результате выработки условного рефлекса индифферентный раздражитель становится условным, т. е. приобретает способность вызывать реакцию, подоб­ную безусловной. Например, звон посуды на кухне перед обедом вызывает у человека выделение слюны. Для того чтобы образовалась условная связь, т. е. возникло обучение, необходимы некоторые условия. Например, условный раз­дражитель должен предшествовать безусловному, причем промежуток време­ни между ними не должен быть ни слишком коротким, ни слишком длинным. Э. Кандэл (Кандэл, Хокинс, 1992) описал некоторые аспекты выработ­ки условного рефлекса на клеточном уровне у морской улитки аплизии. Удобство исследования этого животного связано с тем, что его централь­ная нервная система содержит всего около 20 тыс. нейронов. В поведен­ческий репертуар аплизии входят несколько простых рефлексов, из кото­рых лучше всего изучено рефлекторное втягивание жабры, служащей ор­ганом дыхания. Обычно животное втягивает жабру, когда раздражитель воздействует на противоположный участок тела — на мантийный выступ или сифон, которые иннервируются собственными группами сенсорных нейронов. Каждая из этих групп прямо контактирует с мотонейронами

жабры, а также с различными типами возбудительных и тормозных интер­нейронов, образующих синапсы с мотонейронами. Было обнаружено, что на основе рефлекса втягивания жабры можно выработать условный реф­лекс (рис. 15.7)

Слабое тактильное раздражение нервного пути, обслуживающего сифон, исследователи сочетали с ударом электрическим током по хвостовой части аплизии. В качестве контроля при этом использовали нервный путь, обслу­живающий мантийный выступ. Контрольный нервный путь раздражали столько же раз, сколько и экспериментальный, но при этом раздражение не сочетали с электрическим ударом хвоста. После пяти сочетаний ответ на раз­дражение сифона (нервного пути, подвергавшегося обучению) становится сильнее, чем ответ на раздражение мантии (нервный путь, не участвующий в обучении) Таким образом, вырабатывается дифференцировка, при которой запоминается подкрепляемое поведение

Стимуляция сенсорных нейронов, связанных с сифоном или с мантий­ным выступом, активирует интер- и мотонейроны, следствием чего является рефлекторное втягивание жабры Безусловное подкрепляющее раздражение “хвоста” активирует многие группы клеток, включая те, которые вызывают и движение жабры Среди них не менее трех групп модулирующих нейро­нов. Они влияют на сенсорные нейроны, связанные как с сифоном, так и с мантийным выступом, и вызывают усиление выделения нейромедиатора из терминалей сенсорных нейронов Такое усиление выброса медиатора назы­вается пресинаптическим облегчением Оно составляет основу неассоциатив­ной формы обучения, называемой сенситизацией

Сенситизация — повышение чувствительности к стимулу, с которым организм встречался ранее. Благодаря этой простейшей форме обучения животное увеличивает разнообразие своих реакций, прежде всего на дей­ствие вредного раздражителя. Поскольку оно не требует сочетания раздра­жителей, то не является ассоциативным

Уже отмечалось, что при формировании условного рефлекса индиффе­рентный раздражитель должен опережать безусловный на некоторый кри-”. тический промежуток времени Увеличение или уменьшение последнего ведет к ухудшению результатов обучения

Специфика временных характеристик условного рефлекса втягивания жабры отчасти определяется конвергенцией условного и безусловного раз? дражителей на одном нейроне Безусловный раздражитель представлен в сенсорных клетках влиянием модулирующих нейронов. Условный раз­дражитель представлен в этих же нейронах их собственной активностью. Э. Кандэл обнаружил, что модулирующие нейроны, активированные безус­ловным раздражением “хвоста”, вызывают большее пресинаптическое об­легчение сенсорных нейронов, если сенсорные нейроны незадолго до это­го генерировали потенциалы действия в ответ на условный раздражитель. Это свойство пресинаптического облегчения получило название зависимо­го от активности. На клеточном уровне оно требует тех же самых времен­ных отношений, что и обучение на поведенческом уровне и, возможно, ле­жит в его основе.

Рис 15 7 Классические условные рефлексы у Aplysm На схеме (внизу слева) показан один ртз нервных путей, участвующий у Aplysia в классическом условном рефлексе втягивания жаб-Jpbi Механизм, лежащий в основе обучения, заключается в усилении выделения нейроме-•диатора под влиянием зависимого от активности облегчения Справа показаны молекуляр-Рные этапы зависимого от активности облегчения Воздействие безусловного раздражителя приводит к выделению серотонина модулирующим нейроном Этот нейромедиатор вызывает активацию аденилатциклазы в сенсорном нейроне Когда последний находится в активном состоянии, в нем увеличивается уровень кальция Кальций связывается с кальмодулином, а тот — с аденилатциклазой, усиливая ее способность синтезировать циклический аденозин-монофосфат (АМФ), который активирует протеинкиназу В результате клетка выделяет го­раздо больше нейромедиатора, чем обычно (Кандэл, Хокинс, 1992)

Последовательность процессов при имплицитном обучении можно опи­сать таким образом. При прохождении электрического импульса в преси-наптической терминал и серотонин выходит в синаптическую щель и свя­зывается с рецептором на постсинаптической мембране, активирующем фермент аденилатциклазу. Этот фермент превращает аденозинтрифосфат (АТФ) в циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). Последний является внутриклеточным вторичным посредником, функция которого состоит в

активации протеинкиназы.

Киназы — ферменты, фосфорилирующие другие белки, что приводит к изменению их активности. Активация протеинкиназы в нейронах ведет к фосфорилированию белков каналов в клеточной мембране, через которые транспортируются ионы калия (К⁺). Фосфорилирование этих белков умень-

шает ионный ток калия внутрь клетки, который обычно реполяризует ПД. Уменьшение калиевого тока продлевает ПД, обеспечивая тем самым боль­шую продолжительность активного состояния кальциевых каналов, что по­зволяет проникнуть в синаптическую терминаль большему количеству каль­ция (Са²⁺). Кальций участвует в высвобождении медиатора из везикул и про­никновении его в синаптическую щель. Таким образом, результатом явля­ется увеличение нейромедиатора и более выраженная реакция (Кандэл, Хо-кинс 1992).

Медиатор (в данном случае, серотонин) способствует перемещению ве­зикул из мест их резервных скоплений к тем участкам мембраны, где они изливают свое содержимое в синаптическую терминаль. Это облегчает вы­деление следующей порции медиатора, не зависящее от притока в клетку кальция. При этом цАМФ действует параллельно с другим вторичным по­средником — протеинкиназой С, которая также активируется под влияни­ем серотонина. Возбуждение нейрона непосредственно перед безусловным раздражением вызывает в нем ряд сдвигов, приводящих к поступлению на­трия и кальция в клетку и выходу из нее калия, что приводит к возникнове­нию ПД.

ПД имеют критическое значение для имплицитного обучения из-за влияния на ток кальция внутрь сенсорных нейронов. Оказавшись в клет­ке, кальций связывает белок кальмодулин, который усиливает активацию аденилатциклазы под действием серотонина. Когда комплекс кальция с кальмодулином связывается с аденилатциклазой, усиливается образование цАМФ. Это свойство аденилатциклазы заставляет рассматривать ее в ка­честве центрального пункта конвергенции сигналов от условного и безус­ловного раздражителей. Таким образом, условный и безусловный раздр'а-жители представлены внутри клетки конвергенцией двух сигналов (каль­ция и серотонина) на одном и том же ферменте. Эти процессы происхо­дят в тех сенсорных и моторных областях мозга, которые участвуют в ра­боте имплицитной памяти.

Нервные сети изменяются в результате собственной активности. Недав­но обнаружены немедленные ранние гены, которые быстро активируются короткими вспышками ПД. Они кодируют белки, регулирующие экспрес­сию других генов, тем самым способствуя стойкому изменению генной эк­спрессии, что может являться механизмом запоминания.

Экспрессия генов влечет биохимические изменения, следствием которых является перестройка на уровне синаптических контактов. Возможны два типа таких изменений: 1) смещение соотношения числа активных и пассив­ных синапсов в сторону преобладания первых; 2) образование новых синап­тических связей. До сих пор нет точного ответа, какое из этих изменений является основным в процессе обучения.

Одним из возможных механизмов формирования следа памяти может быть появление новых нейронов из стволовых клеток. Показано, что ство­ловые клетки могут мигрировать и внедряться в префронтальную кору или гиппокамп, дифференцируясь в этих структурах в нейроны.