Предмет и задачи нейробиологии
В теоретических исследованиях физиологии головного мозга человека огромную роль играет изучение центральной нервной системы животных. Эта область знаний получила название нейробиологии.Для человека и животных на протяжении длительной эволюции, которая началась примерно 3 - 4 млрд. лет назад, одинаковыми остаются варианты устройства центральной нервной системы и ее элементов. Нейроны, их отростки, процессы, протекающие в них, остаются неизменными как у примитивных животных (членистоногих, рыб, амфибий, рептилий), так и у человека. Исключения представляют большие полушария мозга, уникальностью которых отличается только человек. Поэтому нейробиология может решить тот или иной вопрос физиологии центральной нервной системы, используя большое количество более простых и доступных объектов. Например, электрические явления в нервных тканях, свойства возбудимых мембран, изучаются на головоногих моллюсках – кальмарах, у которых имеются гигантские аксоны (диаметром 500-1000 мкм). Все шире применяют прижизненные срезы головного мозга новорожденных крысят и морских свинок и даже культур нервной ткани, выращенную в лаборатории.
Главный вопрос нейробиологии – исследование механизмов отдельных нервных клеток и их отростков при помощи микроэлектродной техники.
Творцами нервной деятельности являются процессы возбуждения и торможения нейронов.
В последние десятилетия достаточно хорошо изучены механизмы возбуждения и торможения в ЦНС, физиологическая роль отдельных медиаторов. Норадреналин, например, регулирует настроение, эмоциональные реакции, обеспечивает поддержание бодрствования, участвует в механизмах формирования некоторых фаз сна, сновидении; дофамин способствует формированию чувства удовольствия, регуляции эмоциональных реакций, поддержанию бодрствования. Дофамин полосатого тела регулирует сложные мышечные движения. Серотонин ускоряет процессы обучения, формирование болевых ощущений, сенсорное восприятие, засыпание, ангиотензин - повышение артериального давления (АД), торможение синтеза катехоламинов, стимулирует секрецию гормонов; информирует ЦНС об осмотическом давлении крови.
Олигопептиды – медиаторы настроения, полового поведения, передачи ноцицептивного возбуждения от периферии в ЦНС, формирования болевых ощущений. Эндорфины, энкефалины, пептиды, вызывающие сон, формируют антиболевые реакции, повышение устойчивости к стрессу, сон. Мозгоспецифичные белки различных отделов головного мозга влияют на процессы обучения.
Большим шагом в направлении изучения психики человека представляют методы, предложенные профессором Московского государственного университета Александр Романович Лурия. Сочетание приемов психологического обследования и физиологического исследования человека с поврежденным мозгом составило новое направление и получило название нейропсихология.
Психическая деятельность - это идеальная субъективно осознаваемая деятельность организма, осуществляемая с помощью нейрофизиологических процессов. Высшая нервная деятельность (ВНД) - совокупность нейрофизиологических процессов, обеспечивающих сознание, подсознательное усвоение поступившей информации и индивидуальное приспособительное поведение организма в окружающей среде (в том числе и трудовая деятельность). Таким образом, психическая деятельность осуществляется с помощью ВНД. Психическая деятельность протекает только в период бодрствования и осознается. ВНД проявляется в период бодрствования (осознаваемая) и в период сна (подсознательная). Примером деятельности ВНД может служить анализ ранее поступившей информации и запоминание в период бодрствования, переработка информации во сне. Представление о высшей и низшей нервной деятельности ввел И.П.Павлов. Высшая нервная деятельность - это совокупность нейрофизиологических процессов, обеспечивающих осуществление безусловных рефлексов и инстинктов.
Вклад нейробиологии в понимание психической деятельности заключается в раскрытии механизмов деятельности отдельных нейронов, их модулей, взаимодействия различных отделов ЦНС и деятельности мозга в целом. В настоящее время показана роль отдельных структур мозга в возникновении эмоций и поведенческих реакций, запоминании информации, механизмах замыкания временных связей. Эти исследования были начаты И.П.Павловым.
1.2. Механизм образования условных рефлексов
Начало XX века привело к коренному повороту в сторону экспериментального изучения основ психики. Центром этих работ стали лаборатории, руководимые И.П.Павловым. Впервые выделив такое явление, как условный рефлекс, И.П.Павлов увидел в нем высшую форму рефлекторной деятельности – реакцию не на раздражитель, а на сигнал, предшествующий этому раздражителю. Реакция животного и человека на сигнал имеет то преимущество, что позволяет избежать действия раздражителя, если он отрицателен (опасен).
Согласно теории И.П.Павлова (1903) действие условного раздражителя на рецепторы способствует возникновению временной связи, которая образуется между корковым центром безусловного рефлекса и корковым центром анализатор, т.е. связь замыкается в коре большого мозга. В основе замыкания временной связи лежит процесс доминантного взаимодействия между возбужденными центрами. Импульсы, вызываемые индифферентным (условным) сигналом с любого участка кожи и из других органов чувств (глаз, ухо), поступают в кору большого мозга и обеспечивают там образование очага возбуждения. Если после индифферентного сигнала следует, например, пищевое подкрепление (подкормка), то возникает более мощный второй очаг возбуждения в коре больших полушарий, к которому направляется ранее возникшее и иррадирующее по коре возбуждение. Неоднократное сочетание в опытах индифферентного (условного) сигнала и безусловного раздражителя (подкрепление) облегчает прохождение импульсов от коркового центра индифферентного сигнала к корковому представительству безусловного рефлекса вследствие синаптического облегчения (проторения пути). Образование временной связи в коре больших полушарий И.П.Павлов назвал замыканием новой условно-рефлекторной дуги: теперь подача только условного сигнала приводит к возбуждению коркового центра безусловного рефлекса и возбуждает его, т.е. возникает рефлекс на условный раздражитель - условный рефлекс. Э.А.Асратян показал, что образование условных рефлексов с прямыми и обратными связями является общей закономерностью высшей нервной деятельности.
Взаимосвязь левого и правого полушарий при выработке условных рефлексов обеспечивается наличием комиссуральной системы (мозолистого тела, передней, задней, гиппокампальной и хабенулярной комиссур межбугрового сращения), которая, соединяя анатомически два полушария головного мозга, обеспечивает перенос возбуждения из одного полушария в другое. Перерезка мозолистого тела прекращает (или сильно затрудняет) «перенос» условного рефлекса. Вместе с темпомощью метода условных рефлексов было доказано, что перерезка комиссур больших полушарий полностью не исключает межполушарное взаимодействие при выработке временной связи. Эти результаты свидетельствуют о возможности существования элементарных форм взаимодействия двух полушарий через четверохолмие и ретикулярную формацию ствола мозга.
На клеточном и молекулярном уровнях временная связь замыкается с помощью механизмов памяти. В начале выработки условного рефлекса связь осуществляется только при помощи механизмов кратковременной памяти: распространение возбуждения между двумя возбужденными корковыми центрами. По мере повторения действия условного и безусловного раздражителей и повторяющегося возбуждения соответствующих центров, распространения возбуждения между ними, кратковременная память переходит в долговременную (структурные изменения в нейронах). В настоящее время исследователи получают все новые и новые данные о механизмах памяти.
Изучение механизмов памяти
Память - способность организма приобретать, сохранять производить в сознании информацию и опыт.
Биологическое значение памяти. Накопление, хранение и воспроизведение в сознании информации осуществляется нейронными сетями.Без способности к научению и памяти ни одна особь, ни вид в целом не могли бы выжить, поскольку оказалось бы невозможными планирование успешных действий, преднамеренное избегание ошибок. В связи с этим в последние десятилетия нейробиологи уделяли этим процессам много внимания. Было обнаружено, что запоминается лишь ничтожная часть общей осознаваемой сенсорной информации. Большинство накопленных сведений со временем, забывается, что избавляет человека от переизбытка информации.
По длительности хранения информации выделяется несколько видов памяти.
Особым видом памяти принято считать сенсорную память (неточное название - иконическая память), которая соответствует длительности ощущений после прекращения действия сигнала, например звука, света. При этом виде памяти нет воспроизведения всознании информации или опыта (воспоминания), а есть продолжение ощущения после выключения раздражителя (например, ощущение прикосновения, которого уже нет) как результат инерционности анализаторов.
Все противоречия по поводу длительности хранения информации можно исключить, взяв за основу классификации не длительность хранения информации, а механизмы, т.е. электрофизиологические процессы, биохимические реакции и структурные изменения в нейронах и синапсах ЦНС. При этом идея длительности хранения информации также сохранится и в связи с этим различают кратковременную, промежуточную и долговременную память.
Кроме того, в раннем онтогенезе следует выделить память импринтинга (запечатление окружающей действительности). Механизмы импринтинга связаны с экспрессией в нейронах мозга специфических ранних генов,функцией которых является перестройка работы генетического аппарата нервных клеток под влиянием запечатлеваемого воздействия. По механизму импринтинга у взрослых животных запечатлевается действие жизненно значимых подкрепляющих факторов. По мере индивидуального развития животных механизм импринтинга все больше уступает место другим механизмам памяти.
Кратковременная память обеспечивает удержание и воспроизведение оперативной информации, составляя объем примерно 7±2 единицы. Основным свойством данной разновидности памяти является ее непродолжительность. Хранение информации в кратковременной памяти длится секунды, минуты.
Единой теории механизма кратковременной памяти до сих пор не существует. Однако ясно, что запоминание любой информации начинается с электрофизиологических процессов в нейронных сетях головного мозга: возникновение возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП), потенциала действия (ПД), выделение различных медиаторов в синаптическом аппарате мозга. Поэтому можно утверждать, что в основе механизма кратковременной памяти лежит импульсная активность нейронов, и, частности циркуляция возбуждения по замкнутым нейронным цепям.
Большую роль для выяснения механизмов памяти сыграло применение в лечебных целях электрошока, т.е. сильного электрического воздействия на головной мозг. Как выяснилось, после электрошока, также как и после механической травмы мозга в результате сотрясения мозга, наркоза, наблюдается ретроградная амнезия. Человек полностью забывает о событиях, предшествовавших электрическому или механическому действию на мозг. По длительности ретроградной амнезия можно получить представление о времени консолидации памяти, т.е. перехода кратковременной памяти в долговременную. Консолидация памяти начинается обычно через несколько минут, иногда через несколько десятков минут (в опытах на крысах, у которых после выработки условного рефлекса вызывали электрошок, приобретенный навык сохранялся, если электрошок проводился через 10 и более минут после начала обучения, при более раннем воздействии на мозг навык исчезал).
Наблюдения за развитием состояния ретроградной амнезии человека привели к возникновению одной из первых гипотез о механизме кратковременной памяти - гипотезе реверберации (циркуляции) возбуждения по замкнутым цепочкам нейронов. Известно, что в замкнутых нейрональных цепочках циркуляция длится минутами, сохраняя информацию в виде последовательности пульсов, передающихся от нейрона к нейрону; пока циркуляция продолжается, сохраняется нейрональный след о воздействии того или иного раздражителя на организм в прошлом. С позиций гипотезы реверберации легко объясняется феномен ретроградной амнезии. Ученые полагают, что развитие амнезии при травмах головного мозга, электрошоке возникает вследствие грубого нарушения ритмической активности в цепочках взаимосвязанных нейронов.
Гипотеза реверберирующего возбуждения согласуется с повседневным опытом, свидетельствующим о том, что для обучения необходима практика, т.е. неоднократное «пропускание» материала через сознание. Согласно морфологическим и электрофизиологическим данным, подобная реверберация, по крайней мере, возможна. Так, при выработке инструментальных условных рефлексов усвоение навыка сопровождается вполне определенными изменениями ЭЭГ (в частности, амплитуды вызванных потенциалов). Результаты исследований подтверждают представление об электрофизиологическом происхождении кратковременной памяти, поэтому ее можно назвать электрофизиологической памятью.
Промежуточная память - это процесс перевода кратковременной памяти в долговременную (консолидация памяти), который продолжается несколько часов. Следы кратковременной памяти становятся устойчивыми через 4 ч. Таким образом, длительность промежуточной памяти от нескольких минут до 4 часов (согласно работам некоторых авторов - больше, других – меньше) следует назвать нейрохимической памятью. По длительности хранения информации ее следует назвать промежуточной памятью (между кратковременной и долговременной). В указанный период экстремальные воздействия (наркоз, сотрясение мозга и др.) еще способны стереть память. Введение крысам блокатора синтеза дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) - азидотимина - препятствует переходу кратковременной памяти в долговременную. Этот вид памяти изучен пока очень слабо.
Долговременная память. Ее основой являются структурные изменения в нейронах, длительность (часы, дни и на протяжении всей жизни при повторении информации), а объем практически безграничен. Долговременная память устойчива к мозговым нарушениям. Она формируется с помощью кратковременной и промежуточной памяти, при этом существенное значение имеют синоптические процессы.
Важную роль в консолидации памяти играют нейропептиды, которые могут находиться в пресинаптических терминалях в качестве сопутствующих медиаторов. Например, вместе с норадреналиином часто выделяется нейропептид У, опиоидные пептиды, соматостатин. Дофамин часто выделяется окончаниями аксонов вместе с холецистокинином, энкефалином; ацетилхолин - с вазоактивным интестинальным пептидом, энкефалином, люлиберином; серотонин с веществом Р, тиреолиберином, холецистокинином. Доказано, что выделение пептидов в пресинаптических окончаниях зависит от частоты работы нейрона, при этом избыточное выделение пептида - спутника всегда наблюдается при усилении активности нейронов.
Установлено, что различные медиаторы могут оказывать разное воздействие на процессы усвоения и хранения информации. Серотонин, например, ускоряет обучение и удлиняет сохранение навыков при положительном эмоциональном подкреплении. Норадреналин ускоряет обучение в условиях применения отрицательного подкрепления (электрокожного). Пептид - спутник может значительно повысить сродство рецептора постсинаптической мембраны к исконному медиатору. Например, вазоактивный интестинальный пептид (НИИ) усиливает сродство к ацетилхолину более чем в 10000 раз.
Роль синтеза белка. Активно разрабатывается гипотеза Х. Хидена о белковой природе памяти, согласно которой процесс фиксации информации в нервной клетке находит отражение в синтезе белка.
Экспериментально установлено, что при угнетении механизмов, регулирующих синтез неспецифических белков, выработанные условные рефлексы при простых формах обучения сохраняются лишь на протяжении нескольких минут. Если синтез белка, обычно начинающийся в мозге животного во время сеанса выработки рефлекса и длящийся много часов, блокировать, то долговременного научения не произойдет. Наиболее выраженная амнезия наблюдается в случае подавления синтеза белка незадолго до сеанса обучения (и во время сеанса уже не идет). При этом даже спустя несколько недель, при неоднократных повторениях опытов, усвоение остается неполным. Само по себе выполнение задания, а также ранее заученный материал при угнетении синтеза белка не страдают. Из этого следует, что синтез необходим лишь на критической стадии консолидации памяти непосредственно во время обучения или сразу после него. Длядолговременного хранения информации он уже не нужен.
Подавление синтеза белка не влияет (по крайней мере, в опытах на животных) на кратковременную память. Это еще один важный аргумент в пользу того, что механизмы кратковременной и долговременной памяти различны. Однако процессы перевода информации из одной формы в другую остаются невыясненным
Таким образом, по механизмам их формирования, можно выделить следующие виды памяти: электрофизиологическая (кратковременная), нейрохимическая (промежуточная) и структурная (долговременная) память.
Роль отдельных структур мозга в формировании памяти. В процессе обучения запоминание осуществляется с помощью различных структур мозга, включающих два уровня: 1) неспецифический (общемозговой) - стволовая ретикулярная формация, гипоталамус, ассоциативный таламус, гиппокамп и лобная кора; 2) модально-специфический (региональный) различные отделы новой коры большого мозга, за исключением лобной коры.
Основной субстрат модуляции памяти - мозговая кора. Следует учитывать, что разрушение ее отдельных структур может вызвать расстройство памяти за счет нарушения разных процессов: либо запоминания, либо сохранения, либо воспроизведения. Височная кора участвует в запечатлении и хранении образной информации, патология височной коры ведет к соответствующим нарушениям памяти. При нарушении лобных долей отмечаются затруднения в организации действий, легкая отвлекаемость.
Первым пунктом конвергенции условных и безусловных стимуловвыступает гиппокамп, обеспечивающий консолидацию памяти - перевод кратковременной памяти в долговременную.
Джаспером проведен классический опыт, в котором обезьяну обучали передней конечностью выключать по условному сигналу электрический ток, оказывающий болевое воздействие на кожу. Если «обученную» конечность зафиксировать, процесс выключения тока по условному сигналу немедленно начинает обеспечиваться задней, т.е. «необученной» конечностью.
Как отмечал И. П. Павлов, открытие и изучение условных рефлексов было первым шагом на пути изучения физиологических механизмов, лежащих в основе психической деятельности.
Материальной основой психической деятельности человека являются физиологические процессы в виде паттернов (рисунка, узоров) импульсной активности нейронов во взаимодействии со следами памяти. В частности, паттерн нервных импульсов отражает смысловые содержания звуковых сигналов.
Различают следующие формы психической деятельности: ощущение, восприятие, представление, мышление, внимание, чувства (эмоции) и воля. Хотя мозг работает как единое целое, имеется и специализация: конкретный процесс научения затрагивает определенную популяцию нейронов и областей мозга. Например, существуют структуры, которые наиболее важны для проявления эмоций, мышления.