Нейронный механизм ассоциативного научения

Классический условный рефлекс представляет собой более сложную, чем габитуация или сенситизация, форму научения. Он отличается от этих, более простых форм необходимостью запомнить значение совпадения во времени двух стимулов: слабого, обычно не вызывающего никакого ответа вследствие стойкого привыкания к нему, с сильным, всегда вызывающим закономерную рефлекторную реакцию. Об образовании условного рефлекса можно говорить в том случае, когда слабый стимул, несколько раз подействовавший непосредственно перед сильным стимулом, начнёт вызывать такую же реакцию, как и сам сильный стимул. Формирующаяся при образовании условного рефлекса память оказывается более стойкой, чем при габитуации или сенситизации.

У аплизии условный рефлекс можно выработать, используя в качестве слабого раздражителя действие струи воды или прикосновение к коже сифона или мантии (условный раздражитель) и подкрепляя слабый стимул действием сильного разряда электрического тока на область хвоста (безусловный раздражитель). Сначала можно убедиться, что резкое раздражение хвостовой области всегда вызывает защитное втягивание жабры, тогда как слабое раздражение кожи сифона или мантии не вызывает никакой реакции. После нескольких сочетаний действия слабого раздражителя с сильным оказывается, что слабый раздражитель тоже начинает вызывать энергичное втягивание жабры.

Сифон и мантия содержат механорецепторы двух независимых популяций сенсорных нейронов (Рис. 17.11). В связи с этим можно увидеть, что подкрепление сильным раздражителем прикосновения к коже одной их этих областей, например, мантии, ведёт к образованию стабильного условнорефлекторного втягивания жабры только в ответ на прикосновение к ней, тогда как прикосновение к коже сифона не сопровождается такой реакцией.

Наиболее вероятен следующий механизм условнорефлекторного научения. В пресинаптическое окончание сенсорного нейрона мантии во время его возбуждения начинает входить небольшое количество ионов кальция. На этом фоне действует серотонинэргический интернейрон, получивший возбуждение от сенсорного нейрона хвостовой области. Серотонин присоединяется к метаботропным рецепторам и через посредничество G-белка активирует аденилатциклазу. Ионы кальция связываются с кальмодулином, являющимся вторичным посредником, и соединение кальций-кальмодулин усиливает действие аденилатциклазы. Аденилатциклаза вызывает образование цАМФ, что ведёт к активации цАМФ-зависимой протеинкиназы. Протеинкиназа способствует фосфорилированию регуляторных белков, которые управляют экспрессией генов, имеющих отношение к системе цАМФ.

Такой механизм усиления синаптической передачи сходен с процессами, происходящими во время сенситизации, с той лишь разницей, что для образовании условного рефлекса требуется ассоциация двух сенсорных стимулов. В окончании сенсорного нейрона сифона описанные процессы не происходят, поскольку он не возбуждён, его кальциевые каналы закрыты и потому не возникает необходимое для последующих событий взаимодействие кальция с кальмодулином.

Генетические исследования подтверждают участие связанных с цАМФ вторичных посредников в процессах научения. Известны три разновидности мутантов дрозофилы, обнаруживающие сходство между собой в том, что у каждой группы мутантов нарушены процессы научения и образования долговременной памяти, а возникшие в результате мутаций изменения обмена касаются, в первую очередь, системы цАМФ. Любопытно, что у этих мутантов не удаётся получить как условные рефлексы, так и сенситизацию, что указывает на общность механизмов образования долговременной памяти при ассоциативном и неассоциативном научении. Параллельно с этим на нормальных дрозофилах было установлено, что избирательная блокада одного из регуляторных белков, участвующих в экспрессии гена для цАМФ, приводит к утрате способности образовывать долговременную память, но не затрагивает кратковременную.

Было бы ошибкой считать, что в основе процессов научения и памяти лежат только связанные с цАМФ обменные процессы. Это не единственный вторичный посредник: при других формах научения могут использоваться иные системы вторичных посредников, а выше описанные механизмы простых форм научения могут комбинироваться с другими молекулярными процессами, приводя в итоге к образованию комплексных форм памяти.

Стоит ещё раз задуматься и по поводу рассуждений Доналда Хебба, предсказавшего возможность повышения эффективности синаптической передачи малоэффективных синапсов при совпадении их деятельности с действием высокоэффективных синапсов. Во время образовании условного рефлекса у аплизий было установлено, что легче всего он получается, если слабый стимул (тактильное раздражение сенсорного нейрона, вызывающее вход кальция в пресинаптическое окончание) опережает приблизительно на 0,5 с действие сильного (активация интернейрона, выделяющего серотонин).

И ещё одно обстоятельство необходимо принимать во внимание при обсуждении механизма образования условных рефлексов. Основой для них служит существующая топография нейронных связей: не любое совпадение во времени двух любых стимулов приведёт к образованию долговременной памяти об этом событии. Только при условии существования между двумя сенсорными путями нейронного соединения, пусть даже с неэффективной синаптической передачей, может образоваться условный рефлекс. Не случайно обучающиеся животные ассоциируют не любые стимулы, а только те комбинации, что имеют для них биологическое значение.

17.8. Гиппокамп и образование памяти

Потерянная после удаления гиппокампа способность к образованию долговременной памяти у человека стимулировала многих исследователей к изучению роли этой структуры мозга у различных экспериментальных животных. Морфология гиппокампа к этому времени была уже хорошо изучена (Рис. 17.12). Постепенно накапливались экспериментальные наблюдения, свидетельствующие о причастности гиппокампа к образованию долговременной памяти. Так, например, можно научить крыс находить пищу или воду в радиальном лабиринте (Рис. 17.13), наблюдая с помощью вживлённых в гиппокамп электродов за активностью его нейронов. Джону О¢Кифу и Линну Нейдлу (O¢Keefe J. & Nadel L.) в конце 70-х годов удалось установить, что отдельные клетки гиппокампа активируются только при выборе крысой альтернативного пути дальнейшего продвижения в лабиринте - таким нейронам дали название "клетки мест".

Ричард Моррис (Morris R.G.M.) из Эдинбурга придумал новый вариант лабиринта для крыс: большой чан, около 2 метров в диаметре он заполнил тёплой водой, которую замутил молоком, и чуть ниже уровня жидкости поместил небольшую платформу, незаметную в мутной воде. Помещённая в чан крыса вынуждена плавать, пока случайно не обнаружит скрытую там платформу. После этого выпускаемая в чан в разных местах крыса кратчайшим путём сразу плывёт к этой платформе, причём ориентируется она по окружающим предметам (окно в стене комнаты, часы, висящие на другой стене и т.п.). Крысы с удалённым гиппокампом не могут образовать долговременную память, позволяющую ориентироваться в пространстве, и находят платформу только случайно, как при первом опыте.

В 1973 году Тим Блисс и Терье Лёмо (Bliss T. V. P., Lomo T.) опубликовали результаты своих опытов, проведённых на гиппокампе наркотизированных кроликов. Они раздражали серией импульсов электрического тока с частотой 10-100 Гц (т. е. обычной для естественной активности нервных клеток) входящие в гиппокамп волокна обонятельного тракта, после чего наблюдали необычайно длительное, до 10 часов, усиление активности нейронов зубчатой извилины гиппокампа, имевших синапсы со стимулированными волокнами. Столь долго сохраняющаяся после прекращения раздражения активность нейронов была названа долговременной потенциацией (ДВП). Это явление стали активно исследовать и обнаружили, что ДВП в разных областях гиппокампа может сохраняться на протяжении нескольких недель после события, вызвавшего её появление. Если же помешать возникновению ДВП у интактных крыс, то они будут вести себя в водяном лабиринте Морриса так же, как и животные с повреждённым гиппокампом. Это означает, что деятельность гиппокампа в формировании долговременной памяти связана с образованием ДВП.

ДВП была обнаружена в нескольких регионах гиппокампа, её возникновение происходило в синапсах, использующих в качестве медиатора глутамат. У постсинаптических нейронов для этого медиатора имелись особого типа рецепторы - НМДА-чувствительные (кроме глутамата они могут связываться с Н-метил-Д-аспартатом). Особенность рецепторов этого типа состоит в том, что они имеют двойное управление. Чтобы их активировать необходимы, во-первых, присоединение глутамата, а во-вторых, предварительная деполяризация постсинаптического нейрона (Рис.17.14).

Такие рецепторы сосредоточены на вершинах дендритных шипиков, т.е. специализированных выпячиваниях дендритов, и в значительно меньшей степени на стержнях дендритов. Через каналы этих рецепторов могут проходить ионы натрия и, что особенно важно для образования ДВП - ионы кальция. Однако при нормальной величине мембранного потенциала кальциевые каналы блокированы ионами магния. В случае деполяризации мембраны ионы магния освобождают каналы для прохождения ионов кальция.. Вызвать такую деполяризацию могут другие нейроны, конвергирующие к этой же постсинаптической клетке и действующие своими медиаторами на другие её рецепторы, не относящиеся к НМДА-типу. В результате наступившей деполяризации и одновременного присоединения глутамата к НМДА-рецепторам ионы магния освобождают проход в каналах этих рецепторов и в постсинаптическую клетку входит довольно много ионов кальция, что является пусковым моментом для образования ДВП. При этом шипики оказываются особым функциональным отделом постсинаптической клетки, который уменьшает возможную диффузию кальция через другие участки её мембраны и, кроме того, препятствует действию других нейронов на постсинаптическую клетку.