67251

НЕЙРОННЫЕ ОСНОВЫ ПАМЯТИ И НАУЧЕНИЯ

Лекция

Биология и генетика

Память можно определить как способность мозга приобретать и использовать опыт сохранять полученную информацию. Поскольку научение основывается на механизмах памяти два этих понятия неразрывно связаны. Такая перестройка должна обеспечивать адаптивное изменение поведения благодаря сохранению...

Русский

2014-09-06

168.5 KB

1 чел.

              17. НЕЙРОННЫЕ ОСНОВЫ ПАМЯТИ  И  НАУЧЕНИЯ

Память можно определить как способность мозга приобретать и использовать опыт, сохранять полученную информацию. Под научением понимают относительно стойкое изменение поведения, возникающее в результате приобретаемого опыта или конечный результат опыта, образующий новую форму поведения, которая позволяет полнее приспосабливаться к условиям жизни. Поскольку научение основывается на механизмах памяти, два этих понятия неразрывно связаны.

17.1. Врождённые и приобретённые механизмы поведения

Поведение определяется специфическими связями между различными классами нейронов с определёнными функциями. Такие связи устанавливаются в процессе развития мозга в соответствии с генетической программой. На ранней стадии онтогенеза - процесса индивидуального развития организма клетки эмбриона дифференцируются на три зародышевых листка: эктодерму (наружный слой), энтодерму (внутренний слой) и мезодерму, располагающуюся между энтодермой и эктодермой. Все клетки центральной нервной системы образуются из эктодермы (Рис. 17.1). Сначала из эктодермальных клеток возникает общая популяция предшественников нейронов и глии. Затем незрелые нервные клетки перемещаются к месту своего дальнейшего развития в соответствии с основным планом формирования центральной нервной системы. Тогда же их аксоны начинают расти в определённых направлениях, указанных химическими сигналами, и  постепенно вступают в контакт с клетками-мишенями. Роль химических сигналов могут выполнять гормоны, а также особые ростковые факторы, выделяемые некоторыми категориями клеток.

Перемещение незрелых клеток, рост их аксонов и выбор клеток-мишеней происходят не случайно, а в соответствии с генетической программой. Между аксонами и клетками-мишенями формируются синапсы, которые начинают действовать по мере созревания механизмов синтеза и выделения медиаторов, появления постсинаптических рецепторов, систем вторичных посредников. Следует отметить, что во время эмбрионального развития до половины предшественников погибают - это запрограммированная гибель, как запрограммирована и избыточная продукция клеток: таким путём происходит отбор наиболее эффективных вариантов развития. В итоге некоторая часть первоначально возникших синапсов в процессе развития исчезает, не выдержав конкуренции с действующими более эффективно (Рис. 17.2).  

Поведение формируется на основе взаимодействия генов и окружающей среды. Само поведение не наследуется, но наследуется ДНК - молекулярный носитель генов. Гены кодируют белки, необходимые для развития, сохранения и регуляции важнейших переключений между нейронами, от таких белков непосредственно и зависит поведение. Упорядоченные переключения между нейронами, возникшие во время развития мозга, гарантируют стабильность его деятельности и видовую специфичность. Внешним проявлением сформированных к моменту рождения связей между нейронами являются рефлексы, благодаря которым параметры внутренней среды уравновешиваются с постоянно меняющимися условиями окружения. Рефлексы осуществляются с помощью  стабильных переключений между афферентными, вставочными и эфферентными нейронами, и потому раздражение определённых рецепторов обязательно приводит к стереотипному двигательному или секреторному ответу. Ещё до рождения, к концу внутриутробного периода формируются механизмы пищеварительных, защитных и ориентировочных рефлексов. Они сохраняются на протяжении всей жизни, несмотря на естественную гибель многих нейронов и регулярное обновление молекул в сохраняющихся клетках.

Однако этого мало не только для жизни, но даже для выживания. Мозг должен уметь учиться, добавлять к врождённым механизмам поведения индивидуальный опыт. Это умение основано на пластичности ЦНС, т.е. на способности к перестройке функциональных свойств под влиянием длительных внешних воздействий. Такая перестройка должна обеспечивать адаптивное изменение поведения благодаря сохранению памяти о приобретаемом опыте. Для фиксации следов памяти необходимо изменение эффективности синаптических переключений между определёнными классами нейронов. Чтобы  такие изменения происходили, нейронам приходится извлекать из своей ДНК нужную генетическую информацию и на её основе создавать белки, определяющие новый характер взаимоотношений между клетками.

Таким образом, и врождённые и приобретённые формы поведения основаны на реализации существующих генетических программ. Разница в том, что программы врождённого поведения могут использоваться сразу после рождения и обеспечивают стабильный минимум поведенческих реакций, а программы приобретённых форм поведения каждый организм выбирает в соответствии со своим индивидуальным опытом, в процессе непрерывного научения.

17.2. Формы памяти и научения

Внимание человека привлекает любой новый раздражитель, механизм привлечения внимания представляет собой врождённый ориентировочный рефлекс, реакцию типа "что такое?", как определял её И. П. Павлов. Но, если такой раздражитель не представляет опасности и не связан с имеющимися у человека потребностями, ориентировочная реакция постепенно исчезает. Такое изменение поведения на основе приобретённого опыта получило название привыкания или габитуации. Примером габитуации может служить отсутствие реакции на обычный городской шум за окнами квартиры или учебной аудитории. Противоположную привыканию форму научения представляет собой сенситизация, проявляющаяся в усилении обычных ответов на прежде нейтральные раздражители. Так, например, пациент, испытавший боль на приёме у зубного врача, повышенно реагирует даже на манипуляции, не вызывающие боли. Привыкание и сенситизация  являются простейшими формами научения, существующими благодаря специальным механизмам памяти.

В начале ХХ века И. П. Павлов открыл, а затем подробно изучил механизм образования условных рефлексов, которые он противопоставил врождённым рефлексам, назвав их безусловными. Условный рефлекс - это приобретённая способность реагировать на ранее безразличный раздражитель так, как раньше организм отвечал только на действие биологически значимого стимула, вызывавшего специфическую врождённую реакцию. Эта форма научения возникает при совпадении во времени какого-либо нейтрального стимула с действием через короткий временной промежуток после него биологически важного раздражителя. Например, регулярное включение звонка перед началом кормления приводит к появлению новой формы поведения - выделению слюны при одном лишь включении звонка. Подобное научение может происходить и естественным путём, когда запах мяса, поначалу не вызывавший слюноотделения у щенка, ещё не знакомого с мясной пищей, быстро становится мощным слюноотделительным стимулом. И в том, и в другом случае в памяти ассоциируется совпадение двух стимулов во времени, и подобная форма научения называется ассоциативной.

Кроме классического павловского условного рефлекса существует ещё одна разновидность ассоциативного научения: оперантный или инструментальный рефлекс, состоящий в запоминании каких-либо действий, если они привели к желаемому результату, например, добыче пищи, или же сопровождались неприятными ощущениями, например, чувством боли. В зависимости от полученного результата одни действия в дальнейшем повторяются, а другие - избегаются, но и то, и другое демонстрирует изменение поведения на основе приобретённого опыта и базируется на механизмах памяти.

Привыкание, сенситизация и обе разновидности условных рефлексов образуются на основе имплицитной (от англ. implicit - неявный, скрытый) памяти, не требующей обязательного участия сознания в процессе научения. Благодаря такой памяти образуются двигательные навыки, например, умение ездить на велосипеде или танцевать. Другая форма памяти, эксплицитная (от англ. explicit - явный, высказанный до конца) относится к познанию окружающего мира, других людей, вещей: она образуется при активном участии сознания и подразделяется на эпизодическую и семантическую. Эпизодическая память содержит биографические сведения, включающие данные о конкретных людях, времени и окружающем пространстве или местности, а семантическая включает в себя общие знания об устройстве мира и общества. Имплицитную память иначе называют процедурной, а эксплицитную - декларативной. Например, приобретённое умение ездить на велосипеде базируется на процедурной или имплицитной памяти, а все остальные знания о велосипеде, равно как и очередное его изобретение, требуют привлечения декларативной или эксплицитной памяти. Различные формы памяти можно представить в виде схемы:

                                                           ПАМЯТЬ

 

           Имплицитная (процедурная)        Эксплицитная (декларативная)

 

неассоциативная                    ассоциативная        эпизодическая     семантическая

                                         (условные рефлексы)

                                                                 

габитуация  сенситизация   классический    оперантный

                                               рефлекс            рефлекс

 

Образование памяти представляет собой ступенчатый процесс, что нетрудно установить, наблюдая как за приобретением памяти, так и за её потерей. Новая информация в течение небольшого отрезка времени, не более одной минуты, сохраняется в кратковременной памяти, ёмкость которой незначительна: в среднем 7 2 элементов информации, т.е. семь слов, букв, цифр или символов (но не более двенадцати). Приблизительно 20-30 секунд мозг обрабатывает эту информацию, решая насколько она важна и стоит ли сохранять её в дальнейшем. Повторное поступление той же самой информации повышает вероятность её преобразования в долговременную память, ёмкость которой практически не ограничена, а длительность хранения варьирует от нескольких минут до десятилетий.

Представьте себе, что по справочному телефону вы узнали номер интересующего вас абонента: некоторое время вы можете удерживать в своей кратковременной памяти названную последовательность цифр, набирая её на своём телефонном аппарате. Но, если в это время кто-нибудь или что-нибудь отвлечёт на себя ваше внимание, вы можете позабыть ещё не записанный номер, не успевший поступить в долговременную память. Травмы мозга, электрический шок обычно сопровождаются потерей в памяти событий, которые предшествовали травме, поскольку информация о них содержалась лишь в кратковременной памяти и не успела ещё поступить в долговременную. Некоторые учёные выделяют промежуточную ступень между кратковременной и долговременной  памятью на том основании, что сохранение памяти на этой ступени ещё не гарантирует успешные воспоминания в дальнейшем. Ступенчатый процесс образования памяти схематично можно представить как:

 Поступление           Кратковременная            Долговременная

 информации             память                              память

                                                                     

                                                                                                  Воспроизведение

     Регистрация и хранение                   информации

                                                                                                     

17.3. Предполагаемое место хранения памяти

В каких областях мозга может образовываться и храниться долговременная память? К середине ХХ столетия на этот вопрос не было ответа, хотя к этому времени теории ассоциативного научения (классический условный рефлекс, оперантный условный рефлекс) уже успели пережить кульминационные пункты своего развития.

Самым настойчивым исследователем памяти в первой половине ХХ века был несомненно Карл Лешли (Lashley K. S.), посвятивший изучению этого вопроса 35 лет: с 1915 по 1950. Он вырабатывал новые поведенческие навыки у различных животных (крыс, кошек, обезьян), после этого разрушал или удалял у них отдельные участки коры, других регионов мозга, а затем проверял сохранность научения с целью обнаружить место, где содержится информация о приобретённом поведении. Так, например, Лешли обучал крыс находить корм в специально сконструированных лабиринтах, различать зрительные стимулы, указывающие на расположение кормушки, после чего электроножом выжигал то одни, то другие участки коры (Рис. 17.3) и через 10 дней после операции начинал испытывать прочность запоминания. Обнаружить места хранения информации таким способом не удалось и Лешли заключил, что "процесс выучки и прочность запоминания навыков не зависит от строго локализованных структурных изменений коры головного мозга. Роль различных частей одного и того же специализированного поля или даже всей коры качественно одинакова." Конечным результатом исследований Лешли стало провозглашение двух главных принципов: эквипотенциальности мозга (т.е. функциональной равноценности коры при формировании новых навыков поведения) и принципа действующей массы мозга - 80-85% сохраняющегося после разрушений мозга вполне достаточно для сохранения памяти о любых навыках.

Эти положения пришлось пересмотреть в 1953 году, когда 27-летнему канадцу Генри М., на протяжении 11 лет жестоко страдавшему от не поддающейся медикаментозному лечению эпилепсии, была сделана нейрохирургическая операция. Еженедельно он испытывал тяжелейшие генерализованные  конвульсии и каждый день его преследовали относительно лёгкие приступы судорог. Электроэнцефалографические исследования указывали на то, что очаги эпилептического возбуждения мозга находились в медиальных отделах правой и левой височных долей. Чтобы избавить больного от эпилептических приступов, хирурги решили удалить эти области мозга, которые включали в себя гиппокамп (Рис. 17.4) После операции генерализованные судороги прекратились, количество и тяжесть малых приступов уменьшились, противосудорожные медикаменты стали эффективными, а коэффициент интеллекта, составлявший до операции 104, увеличился до 118.

Однако Генри М. потерял способность к образованию долговременной памяти, хотя его кратковременная память нисколько не пострадала. События своего детства он воображал очень живо, легко вспоминал различные происшествия и даты, запомнившиеся до операции. Он безупречно говорил и практически нисколько не утратил свой словарный запас. Однако новую информацию Генри М. мог сохранять в памяти самое большее на протяжении одной минуты. Например, трёхзначное число он удерживал в памяти только благодаря непрерывному повторению, но, если в этот момент его отвлекали, тотчас забывал запоминаемое число. Большие трудности испытывал Генри М. и в связи с пространственной ориентацией: после переезда в новый дом он почти год не мог находить его без посторонней помощи. Он говорил: "я забываю ежедневные события так же быстро, как они происходят".

Не подлежало сомнению, что у Генри М. нарушился механизм переноса информации из кратковременной памяти в долговременную. Логично было связать это нарушение с двусторонней утратой гиппокампа, представив его в качестве структуры мозга, ответственной за образование следов памяти. Случай Генри М. был не единственным: кроме него сотрудница У. Пенфилда Бренда Милнер (Milner B.) исследовала ещё нескольких пациентов после двусторонней резекции части височных долей и у каждого обнаружила один и тот же дефект - антероградную амнезию или утрату способности к образованию новых энграмм памяти.

Вскоре однако выяснилось, что такие пациенты могут успешно овладевать новыми видами моторной деятельности. Так, например, Генри М. научился уверенно вписывать карандашную линию в двойной контур пятиконечной звезды, контролируя свою руку с помощью зеркала (Рис. 17.5). Это не сразу получается и у здоровых людей, но через несколько дней тренировок всё же становится возможным. Пациенты Бренды Милнер овладевали этим моторным навыком не хуже, чем обычные люди. Они были в состоянии научиться собирать т.н. "ханойскую башню": перекладывать кольца разного диаметра, находящиеся на трёх вертикальных стержнях, таким образом, чтобы за минимальное количество "ходов"  построить из них правильный конус. Интересно, что больные не связывали свои успехи с регулярной тренировкой, поскольку о ней просто не помнили, а если им пытались указать на такую связь, то они реагировали примерно так: " О чём Вы говорите ? Я раньше этого никогда не делал." Обнаружилось, что у этих пациентов сохранялась способность к образованию условных рефлексов, т.е. ассоциативных форм научения, а также к габитуации и сенситизации. Но все навыки, которыми они были в состоянии овладеть, удовлетворяли двум отличительным признакам: они были автоматическими и не требовали сознательной когнитивной деятельности. Пациенты реагировали на стимулы или на указания и вспоминали навыки почти неосознанно.

Таким образом, двусторонняя утрата гиппокампа привела к нарушению образования эксплицитной долговременной памяти, но не повлияла на формирование долговременной имплицитной памяти, что указывало на разные места образования этих форм памяти. В пользу этого представления свидетельствуют и эксперименты, демонстрирующие избирательное нарушение имплицитной памяти. У кролика можно выработать классический условный рефлекс (одна из форм имплицитной памяти), если подавать звуковой сигнал непосредственно перед действием на роговицу глаза струи воздуха, выпускаемой из баллона, что всегда вызывает врождённый мигательный рефлекс. После нескольких сочетаний звукового сигнала с попадающей на роговицу воздушной струёй образуется условный мигательный рефлекс, который состоит в том, что кролик мигает в ответ на звуковой сигнал. Оказалось, что в образовании этого условного рефлекса участвует мозжечок, а после повреждения очень небольшой его части условный рефлекс исчезает, хотя безусловный мигательный рефлекс сохраняется. К такому же результату приводит микроинфузия антагониста ГАМК мусцимола в область взаимодействия мозжечка и красного ядра, с той лишь разницей, что при повреждении мозжечка условный рефлекс исчезает навсегда, а после введения антагониста ГАМК  - примерно на сутки, а затем, когда действие мусцимола прекратится, рефлекс восстанавливается. С этими наблюдениями хорошо согласуются давно известные данные о нарушении приобретённых моторных навыков после поражений мозжечка: они также свидетельствуют о нарушенной имплицитной памяти.

Эксплицитная и имплицитная формы памяти у человека нередко оказываются связанными друг с другом. Так, например, можно выработать условный оборонительный рефлекс при следующих условиях: испытуемый кладёт ладонь на металлическую решётку, присоединённую к источнику напряжения. Включается сигнальная лампочка и сразу же через решётку пропускается ток. Лёгкий удар тока заставляет испытуемого отдёргивать руку от решётки, вскоре он делает это при одном лишь включении лампочки. Можно говорить об образовании моторного навыка, об имплицитной форме памяти.  Но этот же человек будет убирать руку с решётки после включения сигнальной лампочки и тогда, когда рука прикасается к ней  не ладонью, а к тыльной стороной кисти. В этом варианте убирать руку придётся другим, не выученным ранее способом, что позволяет говорить уже об эксплицитной памяти.

В качестве структур памяти кроме гиппокампа и мозжечка рассматривают обонятельный мозг, миндалины, базальный передний мозг и, конечно, кору больших полушарий. Накапливается всё больше данных, указывающих на то, что особенно важным местом хранения памяти являются вторичные проекционные области и ассоциативная кора, причём вторичные зрительные области содержат зрительную память, слуховые - слуховую и т.п. Префронтальная кора играет важную роль в хронологической организации событий памяти. Таким образом, в мозгу нет единственного места хранения памяти: в зависимости от характера приобретаемого опыта долговременная память образуется в тех структурах, которые необходимы для такого опыта в первую очередь.

В то же время обнаружение места хранения вовсе не означает нахождение места воспоминания. Эту ситуацию можно сравнить с памятью, хранимой на видеокассете: её можно извлечь лишь с помощью видеомагнитофона и телевизора. Примерно так же хранимую в определённых структурах мозга память удаётся извлекать лишь с участием других регионов, непосредственно в хранении не участвующих.

17.4. Молекулярные механизмы памяти

В 50-х годах ХХ столетия началось развитие молекулярной биологии, и многие исследователи устремились к поиску молекулярных основ памяти. Гигантские молекулы ДНК и РНК являются информационными макромолекулами и потому казалось вполне вероятным именно в них обнаружить энграммы памяти. Шведский учёный Холгер Хиден (Hyden H.) придумал уникальный метод разделения крохотных нервных клеток и окружающей их глии, чтобы затем исследовать в них содержание и свойства ДНК, РНК и белка. Он крутил кроликов на некоем подобии карусели и учил крыс карабкаться по наклонной проволоке к кормушке, а после тренировок и образования у экспериментальных животных соответствующих навыков исследовал нейроны их вестибулярных ядер. Оказалось, что свойства РНК и белка в этих ядрах под влиянием приобретаемого опыта изменяются, причём не только в нервных клетках, но и в клетках глии.

В 60-х годах ХХ века было выполнено уже немало работ, в которых доказывалось, что при самых разных формах научения в мозгу появляются новые разновидности РНК, а если их образование искусственно сдерживать, путём введения веществ, препятствующих  синтезу РНК, то замедляется и процесс научения. Но, поскольку образование РНК  является не конечным результатом, а только инструкцией для сборки белковых молекул, многим исследователям проблемы памяти хотелось найти в качестве носителей памяти о том или ином жизненном опыте специфические белки.

Джорджес Унгар (Ungar G.) в 1972 году опубликовал первое сообщение о такой находке. Он выпускал мышей в ярко освещённый манеж, в углу которого было тёмное отделение. Подчиняясь свойственному грызунам инстинкту, мыши убегали с освещённого манежа в темноту, но там их ждал неприятный удар электрического тока. В результате у мышей вырабатывался оперантный рефлекс избегания тёмных мест. Из их мозга был приготовлен экстракт, а из него выделен пептид - белок из 15 аминокислот, который Унгар назвал скотофобином (от греч. скотофобия - боязнь темноты), поскольку его введение интактным мышам побуждало их тоже избегать темноты. Сообщение Унгара вызвало бурные споры и жестокую критику. Позднее выяснилось , что полученный им пептид похож на некоторые гормоны стресса и, возможно, он всего лишь замедлял действия получавших его мышей, которые просто не торопились спрятаться в тёмном углу, т.е. изменения поведения было обусловлено стрессом, а не специфической памятью. Известно, что некоторые гормоны, образующиеся при стрессе, могут вызывать оцепенение, а Унгар прекращал регистрировать действия мышей уже через минуту после начала опыта. Вскоре после начавшейся полемики Унгар умер, а с его смертью прекратились и споры, и публикации о специфических белках памяти.

В том, что и ДНК, и РНК, и белки имеют отношение к процессам памяти в настоящее время не сомневается никто. Однако память связана не с синтезом каких-либо уникальных белков, специфичных для каждого её вида. Она зависит не столько от конкретных биохимических процессов, сколько от того, в каких нейронах и синапсах происходят эти процессы, где находятся такие нейроны и синапсы и как они связаны с другими клетками.

17.5. Синапсы Хебба

В 1949 году была издана книга канадского учёного Доналда Хебба (Hebb D.O.) "Организация поведения", которая в настоящее время признаётся классической всеми серьёзными исследователями мозга. В этой работе Хебб попытался объединить сложные психологические феномены (ощущения, чувства, мысли, воспоминания) с активной деятельностью мозга. Сначала он пришёл к выводу, что "восприятие зависит от возбуждения специфических клеток в какой-то точке центральной нервной системы", т.е. слуховые сигналы возбуждают один тип специфических нейронов, а, например, действие пищи на вкусовые рецепторы - другой.

Всякое возбуждение поступает в центральную нервную систему, где может некоторое время циркулировать в замкнутых цепях нейронов, что называется реверберацией (Рис. 17.6). Существование таких замкнутых цепей или "нейронных ловушек" в переключательных ядрах и в коре в 1949 году доказал нейроанатом Лоренте де Но (de No L.). Потенциалы действия возвращаются к одним и тем же нейронам,  сохраняя их возбуждённое состояние  в течение некоторого времени: этим, как принято считать, обеспечивается кратковременная память. Электрошок, наркоз, контузия мозга, гипотермия прекращают этот процесс, не позволяя кратковременной памяти преобразоваться в долговременную. Когда действия раздражителя часто повторяются, то одни и те же синапсы используются многократно, и благодаря этому эффективность их деятельности постепенно повышается. Повышающий эффективность синаптической передачи механизм лежит в основе долговременной памяти.

Хебб рассуждал так: "Предположим, что постоянная или повторяющаяся реверберация возбуждения (его "отзвук") вызывает в клетках долговременные изменения, которые усиливают стабильность такого процесса. Это предположение можно точно сформулировать следующим образом: " Если аксон клетки А расположен достаточно близко, чтобы возбудить клетку Б, и постоянно или многократно участвует в активации последней, то в одной или обеих клетках происходят процессы роста или обменные изменения, в результате которых усиливается активирующее действие клетки А на клетку Б. Согласно наиболее очевидному и, я полагаю, самому правдоподобному предположению о способе усиления возбуждающего действия одной клетки на другую, синаптические соединения разрастаются и увеличивают площадь контакта между пресинаптическим аксоном и постсинаптической клеткой. Разумеется, прямых доказательств правильности такого предположения нет. Однако по целому ряду соображений  гипотеза о росте синапсов выглядит вполне приемлемой."

Хебб также предположил, что между разными видами специфических нейронов в центральной нервной системе могут существовать малоэффективные и даже нефункционирующие синапсы. Так, например, обычная реакция на звуковой раздражитель не связана со слюноотделением, поскольку возбуждение клеток слуховой коры не передаётся к нейронам, регулирующим пищеварительную деятельность, из-за низкой эффективности синаптической передачи между этими нервными центрами. При частом сочетании звукового сигнала с вкусовыми ощущениями малоэффективные синапсы тоже начинают функционировать, благодаря чему один лишь звуковой сигнал начинает вызывать слюноотделение. Изменения в синапсах могут быть следствием биохимической модификации или увеличения контактирующих участков между пре- и постсинаптическими нейронами  (Рис. 17.7).

Приведённые Хеббом аргументы перевели понятие ассоциативного научения с чисто психологической на нейробиологическую основу и указали направление поиска нейронных основ поведения. Кроме того, эта гипотеза позволяет объяснить принципиально важный момент: два, совпавших во времени действия стимула, приведут к образованию ассоциативного научения только в том случае, если у общающихся между собой клеток существуют потенциальные синаптические связи. Именно поэтому события, связь между которыми не имеет биологического значения, не могут и ассоциироваться друг с другом.

Основные положения теории Хебба получили в последние годы экспериментальное подтверждение, хотя обнаружить необходимые для формирования долговременной памяти биохимические, физиологические и структурные изменения в синапсах для разных форм памяти очень непросто, и эту проблему пока нельзя считать окончательно решённой.

17.6. Нейрофизиологические механизмы габитуации и сенситизации

Если генетики больше любых других организмов изучили плодовую муху - дрозофилу, то исследователи биологических основ поведения больше всего преуспели в изучении морского брюхоногого моллюска аплизии, в особенности одного из видов этого моллюска - калифорнийской аплизии (Aplysia californica) - рис. 17.8. Аплизии достигают 30 см в длину и могут весить до 2 кг, их центральную нервную систему образуют не более 20 000 нейронов, сгруппированных в несколько ганглиев; примерно столько же их у дрозофилы. Однако у аплизий нейроны очень крупные, до 1 мм в диаметре, кроме того они располагаются в строго определённом порядке, что даёт возможность уверенно находить у разных особей однотипные сенсорные, моторные и интернейроны, чтобы стимулировать или удалять их, получая при этом одинаковые результаты при работе с разными животными. На протяжении последних 25 лет биологические основы поведения у аплизий особенно много изучали сотрудники лаборатории Эрика Кэндела (Kandel E.) в Колумбийском университете (Нью-Йорк).

Калифорнийский моллюск способен  рефлекторно втягивать свой орган дыхания - жабру в специальную мантийную полость. В неспокойном море этот защитный рефлекс вызывается  раздражением чувствительных окончаний в коже сифона или мантии взвешенными в воде твёрдыми частицами, в лабораторных условиях его можно получить направленной на кожу сифона струёй воды из баллончика или простым прикосновением к его коже.

Защитный рефлекс у аплизии контролирует абдоминальный (брюшной) ганглий, в котором всего 24 сенсорных нейрона проводят возбуждение от механорецепторов кожи. С помощью медиатора глутамата сенсорные нейроны передают возбуждение шести мотонейронам, контролирующим мышцы, необходимые для втягивания жабры. Кроме того, сенсорные нейроны образуют синапсы с имеющимися в абдоминальном ганглии возбуждающими и тормозными интернейронами. В лаборатории Кэндела путём сочетания нескольких оригинальных исследовательских приёмов были изучены процессы, происходящие в синапсах абдоминального ганглия при образовании привыкания и сенситизации.

Если раздражающий стимул не причиняет вреда, то наступает привыкание (габитуация), выражающееся в том, что защитная реакция постепенно уменьшается, а затем и вовсе исчезает на неделю и больше. Но, если на фоне габитуации будет использован какой-либо сильный раздражитель, действующий на другой участок тела (например, булавочный укол кожи хвоста или действие на него электрического тока), то реакция привыкания сразу же исчезнет (дегабитуация). После получения болевого стимула у аплизии развивается реакция сенситизации, выражающаяся в повышенном реагировании даже на безобидные тактильные стимулы, что наблюдается на протяжении достаточно долгого промежутка времени.

Оказалось, что реакция привыкания обусловлена инактивацией тока ионов кальция в пресинаптические окончания сенсорных нейронов. При повторных раздражениях механорецепторов кожи сифона струёй воды или прикосновением всё меньше и меньше кальция входит в пресинаптические окончания сенсорных нейронов при их возбуждении. Это приводит к уменьшению выделения из них медиатора и, соответственно, уменьшению величины постсинаптических потенциалов, которая становится ниже пороговой.

Открытие механизма габитуации продемонстрировало чрезвычайно простой способ образования долговременной памяти, связанный всего лишь с одним синапсом - его можно назвать гомосинаптической депрессией. В отличие от этого, в реакции сенситизации кроме сенсорных и моторных нейронов должны участвовать интернейроны, в связи с чем сенситизацию можно рассматривать как гетеросинаптическое усиление. Реагирующий на булавочный укол сенсорный нейрон возбуждает интернейрон, который, в свою очередь, действует с помощью медиатора серотонина на пресинаптическое окончание другого сенсорного нейрона, передающего возбуждение от механорецепторов кожи сифона (Рис. 17.9). Серотонин действует на метаботропные рецепторы и вследствие этого активируются вторичные посредники: цАМФ и цАМФ-зависимая протеинкиназа, которая фосфорилирует белки кальциевых мембранных каналов в пресинаптическом окончании. В результате при возбуждении в окончание входит больше ионов кальция, соответственно больше выделяется глутамата, действующего на мотонейрон. Это приводит к увеличению амплитуды и длительности постсинаптических потенциалов, хотя количество и чувствительность постсинаптических рецепторов не изменяется. В лаборатории Кэндела в 80-х годах ХХ столетия было установлено, что для получения сенситизации можно даже не использовать болевой стимул, а просто подействовать серотонином на пресинаптическое окончание сенсорного нейрона. Такой опыт хорошо воспроизводится на изолированных из организма аплизии нейронах - этот упрощённый препарат Кэндел назвал "синапсом, обучающимся в блюдце".

При габитуации и сенситизации были обнаружены две ступени образования памяти: кратковременная  и долговременная. Однократное действие серии слабых стимулов приводит к непродолжительной габитуации, а однократно применённый сильный раздражитель или однократное введение серотонина вызывают кратковременную сенситизацию, наблюдаемую на протяжении лишь нескольких минут. Четыре-пять таких тренировок, следующих друг за другом, приводят уже к долговременной сенситизации, сохраняющейся в течение суток, а при дальнейшем повторении тренировок сенситизация сохраняется  на протяжении 3 недель и больше.

Оказалось, что при повторяющихся тренировках или повторяющемся действии серотонина в клеточное ядро сенсорного нейрона постепенно перемещается некоторое количество цАМФ-зависимой протеинкиназы, что вызывает фосфорилирование регуляторных белков, управляющих процессом транскрипции - считывания информации с молекулы ДНК. В результате активируются гены, руководящие синтезом белков, необходимых для дополнительного образования активных компонентов всё той же цАМФ-зависимой протеинкиназы.

В дальнейшем происходит образование дополнительных синапсов. Сенсорный нейрон может увеличивать количество своих пресинаптических окончаний в два раза, одновременно с этим отмечается увеличение числа активных зон, из которых непосредственно выделяется медиатор. Образуются дополнительные шипики на дендритах мотонейрона, которые вступают в синаптические контакты с дополнительными пресинаптическими окончаниями аксона сенсорного нейрона (Рис. 17.10). При длительной габитуации наблюдаются противоположные изменения: количество синаптических связей между сенсорным и моторным нейронами уменьшается приблизительно на 1/3 с одновременным уменьшением числа активных зон в синапсах.

Следует напомнить, что привыкание и сенситизация являются неассоциативными формами научения. Болевой стимул или введение серотонина вызывают сенситизацию независимо от совпадения во времени с тактильными раздражениями. Открытие механизмов привыкания и сенситизации, позволило увидеть в уменьшении или увеличении тока кальция в пресинаптическое окончание один из механизмов кратковременной памяти. Образование долговременной памяти оказалось связанным с использованием вторичных посредников, экспрессией генов и возникновением дополнительных синапсов. В принципе такие же механизмы могут быть использованы почти во всех синапсах мозга и нет оснований считать, что изученные механизмы специфичны лишь для каких-то особенных "нейронов памяти".

17.7.  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 ОКифу и Линну Нейдлу (OKeefe 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.

17.9. Долговременная потенциация и память

 

Входящие в постсинаптическую клетку ионы кальция активируют в ней три системы вторичных посредников: кальций-кальмодулин-зависимую протеинкиназу, протеинкиназу С и тирозинкиназу. Эти ферменты фосфорилируют различные мембранные белки-каналы, при этом проницаемость мембраны изменяется так, что эффективность глутаматэргических синапсов увеличивается: это главный итог происходящих процессов. Однако, если бы они сводились только к описанным выше событиям, повышенная эффективность работы синапсов наблюдалась бы недолго, и говорить о долговременной памяти не было бы оснований.

Её образование связано с экспрессией генов, определяющих синтез структурных белков, включающихся в  клеточную мембрану и изменяющих её состав и свойства. В конце 80-х годов было выяснено, что поступление кальция в ядро клетки при выше описанных обстоятельствах активирует т.н. группу генов раннего действия, ответственных за образование сигнальных белков, которые, в свою очередь, стимулируют деятельность "поздних генов", непосредственно определяющих синтез структурных белков синаптической части мембраны. Эти изменения способны определить формирование долговременной памяти.

Однако происходящие при ДВП процессы не ограничены лишь постсинаптическими нейронами, они распространяются и на пресинаптические клетки, побуждая их увеличивать количество выделяемого медиатора. Механизм вовлечения пресинаптического нейрона в образование ДВП окончательно не выяснен, но постепенно накапливаются факты, которые свидетельствуют, что активируемые кальцием вторичные посредники, а возможно даже и сами ионы кальция служат причиной выделения из постсинаптической клетки веществ, действующих затем на пресинаптические нейроны и стимулирующих в них образование и выделение медиатора. В качестве возможных кандидатов на роль этих "обратных посланников" рассматривают некоторые растворимые газы, в частности окись азота и окись углерода. При доказательстве этой гипотезы использовались вещества, избирательно связывающие названные газы. После такой блокады потенциальных "обратных посланников" активность пресинаптических нейронов становится меньше и, соответственно, уменьшается выраженность самой ДВП. Таким образом, в развитии феномена ДВП должны участвовать не только пресинаптические, но и постсинаптические нейроны.

Теперь, после знакомства с биохимическими процессами, лежащими в основе ДВП, следует возвратиться к обстоятельствам, при которых она возникает. Для возникновения ДВП  требуются три нейрона: постсинаптический, глутаматэргический пресинаптический, действующий на НМДА-рецепторы и ещё один (а обычно это группа конвергирующих к постсинаптической клетке нейронов), действующий на рецепторы, не чувствительные к НМДА и вызывающий первоначальную деполяризацию. На постсинаптической мембране могут иметься, помимо НМДА-рецепторов, и другие взаимодействующие с глутаматом рецепторы, которые не связываются с НМДА, но относятся к глутаматэргическим и связаны с ионотропными каналами. Они вполне могут быть использованы для приведения постсинаптической мембраны в деполяризованное состояние.

Главное условие возникновения ДВП состоит в обязательном одновременном возбуждении пресинаптического и постсинаптического нейрона, что принято называть правилом Хебба, который ещё в 1949 году постулировал: "когда аксон клетки А возбуждает клетку В, повторно и длительно образуя в ней потенциалы действия, то результатом будут ростковые или метаболические изменения в одной или обеих клетках, которые приведут к тому что клетка А станет более эффективно генерировать потенциалы действия в клетке В." Если в образовании ДВП участвуют разные одновременно активированные афферентные волокна от разных источников, то происходящие события принято рассматривать в качестве основы ассоциативного научения, необходимого для образования классического условного рефлекса. В этом случае слабые импульсы только тогда увеличат эффективность работы синапса, когда поступят одновременно с другими, сильными импульсами, вызывающими необходимую для ДВП деполяризацию постсинаптического нейрона.

К настоящему времени ДВП обнаружена во многих синапсах гиппокампа, а также в других областях мозга, в том числе в коре больших полушарий мозга. Установлено, что приводящие к её возникновению механизмы не везде одинаковы, что она может возникать с участием не только НМДА-рецепторов и не обязательно связана с током ионов кальция в постсинаптическую клетку, а может, например зависеть от пресинаптического тока кальция, приводящего к активации в пресинаптическом нейроне цАМФ-зависимой протеинкиназы. Наконец, в некоторых регионах гиппокампа обнаружена неассоциативная форма ДВП, когда входной сигнал не зависит от других афферентных источников активности.

Но, какими бы разными ни были механизмы образования ДВП, приводящей к повышению эффективности работы синапсов, большинство учёных  склонно считать её необходимой для научения и фиксации следов памяти о приобретённом опыте. Это представление основано на многих доказательствах, среди которых можно выделить следующие:

1. При различных формах научения в гиппокампе и других областях мозга возникают процессы, которые можно квалифицировать как ДВП.

2. Фармакологические препараты, препятствующие возникновению ДВП, затрудняют научение и образование долговременной памяти у подопытных животных. Например, введение в желудочек мозга крыс препаратов, блокирующих НМДА-рецепторы, лишает их способности пространственного ориентирования в водяном лабиринте Морриса: такие крысы не в состоянии запомнить, в каком месте находится утопленная в воде платформа, хотя кратковременная зрительная память у них не изменена.

3. Мыши-мутанты с генетическими дефектами синтеза кальций-кальмодулин-зависимой протеинкиназы или тирозинкиназы (как уже сообщалось ранее, необходимыми для образования ДВП) также испытывают большие трудности при ориентировании в водяном лабиринте Морриса.

4. Чем старше подопытные крысы, тем хуже они приобретают новые навыки: при этом у них не удаётся обнаружить ДВП.

 

17.10. Нарушения памяти

Полная или частичная утрата памяти обозначается термином амнезия (от греч. mnesis - воспоминание, a - приставка, означающая отрицание). Принято различать ретроградную амнезию, при которой нарушается память о событиях предшествовавших какому-либо воздействию, и антероградную амнезию, когда страдает память о событиях, наступающих после того или иного воздействия. Амнезия может возникнуть при некоторых заболеваниях мозга, отравлениях или в результате травматических повреждений.

Тупой удар по лобной или затылочной области приводит к резкому смещению мозга внутри полости черепа (сотрясение мозга), что может привести к потере сознания, длящейся от нескольких секунд до нескольких минут , и последующей утрате памяти о событиях, происходивших до получения травмы. При лёгких травмах забываются только непосредственно предшествовавшие повреждению эпизоды ("упал, потерял сознание, очнулся: гипс") , при тяжёлых - ретроградная амнезия распространяется на события недельной или даже месячной давности.

Традиционное объяснение этой формы ретроградной амнезии сводится к представлению о механизме кратковременной памяти, как о реверберации  возбуждения по замкнутым нейронным цепям или "нейронным ловушкам", в которых возбуждение само себя усиливает по принципу положительной обратной связи. Пока сохраняется эта непродолжительная циркуляция возбуждения, сохраняется и кратковременная память, и лишь некоторое время спустя начинается консолидация следов памяти. Травмы, отравления или иногда применяемый с лечебной целью электрошок разрывают цепи реверберирующего возбуждения до того, как произойдёт консолидация следов памяти; поэтому и не запечатляются в долговременной памяти события, произошедшие перед повреждением.

Возможно, что в действительности механизм ретроградной амнезии более сложен. Так, например, существует такая точка зрения, что причиной потери сознания при травме является временное нарушение активирующей функции ретикулярной формации верхнего отдела среднего мозга. В некоторых структурах мозга отмечают местные нарушения гематоэнцефалического барьера, уменьшенное содержание митохондриальной АТФ и т.п. Хорошо известно, что забытые вследствие травмы события в дальнейшем могут восстанавливаться в памяти, причём в той же хронологической последовательности, в которой они происходили: например, сначала вспоминаются события месячной давности, после - недельной и хуже всего те, что сопутствовали моменту самой травмы.

Эти обстоятельства наводят на мысль, что при ретроградной амнезии следы памяти не обязательно стираются, но нарушаются механизмы доступа к ним, механизмы извлечения памяти. В течение некоторого времени после травмы может наблюдаться и антероградная амнезия, тем более выраженная, чем тяжелее была травма. Её механизм тоже не известен: поскольку обе формы амнезии относятся к эксплицитной форме памяти, их не удаётся пока исследовать у экспериментальных животных.

Нарушения памяти весьма характерны для болезни Альцгеймера, которая поражает около 5% людей старше 65 лет, а после 80 лет она встречается уже у 20%. На поздних стадиях этой болезни усугубляется слабоумие, но уже на ранних стадиях встречаются антероградная и ретроградная амнезии, а также нарушения некоторых видов имплицитной памяти. В нейронах коры больших полушарий и промежуточного мозга происходят дегенеративные изменения: в них в виде петель, спиралей и клубков накапливаются патологические нейрофибриллы, особенно выражен этот процесс в области гиппокампа и прилежащих отделах височных долей. Кроме того, из пучков утолщённых аксонов и дендритов образуются кольцеобразные бляшки, которые называют нейритическими; помимо этого поражаются мелкие артерии мозга.

Одновременно с этим происходит снижение холинэргической активности нейронов базального отдела переднего мозга, особенно ядра Мейнерта, в котором происходит дегенерация и гибель нейронов. Эти наблюдения даже послужили основанием для выдвижения холинэргической теории памяти и попытке лечения амнезии с помощью агонистов ацетилхолина, однако такие попытки оказались в основном безуспешными.

Больше, чем другие компоненты познавательной деятельности, нарушается память при т.н. амнестическом или корсаковском синдроме, который впервые описал в 1887 году российский психиатр Сергей Сергеевич Корсаков. При этом нарушении больные почти сразу забывают все текущие события, т.е. преобладает антероградная амнезия, хотя из памяти могут иногда выпадать значительные промежутки времени из недавнего прошлого (ретроградная амнезия). Чаще всего причиной таких нарушений является хронический алкоголизм, при котором возникает дефицит витаминов группы В и связанное с ним поражение нервной системы. При этом в особенности страдают диэнцефальная область (таламус и гипоталамус), кора больших полушарий и мозжечок.

Пожалуй наибольший интерес для пытающихся разобраться в механизмах памяти вызывают её специфические нарушения, связанные с повреждением отдельных областей мозга, поскольку функция часто познаётся по дисфункции. Чаще других описывается случай Генри М., потерявшего способность к образованию долговременной памяти после двусторонней резекции 2/3 гиппокампа, миндалин и частично височных долей: эта история уже изложена в 17.3.

Похожие нарушения памяти описаны у 21-летнего авиационного техника N. А. после несчастного случая, произошедшего с ним в 1959 году. N. А., сидя за своим столом, собирал модель самолёта, а к стене, находившейся за его спиной, была перпендикулярно прикреплена миниатюрная рапира. N. А. зачем-то резко повернулся вправо и рапира вошла через его правую ноздрю и хрупкую решётчатую кость (lamina cribrosa) в левый передний мозг, повредив таламическую область (которая не была затронута у Генри М.). После излечения N. А. хорошо помнил предшествовавшие травме события, но почти ничего не мог запомнить из последующей жизни: он жил дома под присмотром матери, был бодрым и доброжелательным, но затруднялся вспомнить, что происходило часом или днём раньше. В начале 70-х годов, когда  появилась компьютерная томография, позволявшая исследовать мозг, N.А. был обследован этим методом: оказалось, что у него повреждено левое медиодорсальное ядро таламуса. Стоит заметить, что повреждения этой таламической области характерны и для пациентов с синдромом Корсакова. Полезно вспомнить и случай B.J., которому биллиардный кий, прошедший через левую ноздрю и кость, повредил мамиллярное тело и медиодорсальное ядро таламуса: нарушения памяти у этого человека оказались сходными с Генри М. и N.A.

Все эти наблюдения свидетельствуют о том, что необходимые для образования долговременной эксплицитной памяти процессы определённым образом локализованы. У Генри М. повреждение было двусторонним, у N.A. и B.J. - только левосторонним, но именно левое полушарие особенно необходимо для сохранения словесной информации. У этих и у других подобных им пациентов были повреждены проводящие пути, соединяющие гиппокамп и таламус, что, однако, не сказалось на имплицитной памяти, которая может образоваться и без участия этих областей мозга.

Резюме

Приобретение индивидуального жизненного опыта основано на молекулярных, биохимических, физиологических и структурных изменениях в синапсах, соединяющих определённые популяции нейронов. В результате таких изменений эффективность работы синапсов повышается. Память представляет собой ступенчатый процесс, при котором новый опыт поначалу связан с циркуляцией возбуждения через кольцеобразные соединения нейронов, а затем следы этого опыта фиксируются как стойкие преобразования синаптической передачи, возникающие на основе специально для этого извлечённой генетической информации. Эксплицитная и имплицитная формы памяти сохраняются в разных областях мозга, они заключены в топографической схеме связей между нейронами. Для извлечения памяти, видимо, необходимы динамические процессы, происходящие в различных областях мозга.

Вопросы для самоконтроля

276. Многие люди пугаются и вздрагивают, когда поблизости неожиданно раздаётся резкий громкий звук (хлопушка, петарда), но во время праздничных фейерверков их реакция на громкие звуки уменьшается. С какой формой научения связано изменение их поведения?

А. Габитуация; Б. Сенситизация; В. Классический рефлекс; Г. Оперантный рефлекс; Д. Ассоциативное научение.

277. Животное, испытавшее болезненный щипок, начинает повышенно реагировать на любой шорох. Чем можно объяснить такое изменение поведения?

А. Габитуация; Б. Сенситизация; В. Классический рефлекс; Г. Оперантный рефлекс; Д. Ассоциативное научение.

278. К какой форме памяти можно отнести воспоминания о предпринятой минувшим летом поездке в деревню?

А. Имплицитная; Б. Ассоциативная; В. Процедурная; Г. Эпизодическая; Д. Семантическая.

279. В 1956 году Джордж Миллер опубликовал посвящённую исследованию памяти статью, которая называлась "Магическое число семь плюс или минус два". Ёмкость какого вида памяти характеризует это число?

А. Неассоциативная; Б. Ассоциативная; В. Кратковременная; Г. Декларативная; Д. Семантическая.

280. Если перед каждым кормлением собаки подавать звуковой сигнал, то через некоторое время у неё станет выделяться слюна в ответ на этот сигнал. С какой формой памяти связано подобное изменение поведения?

А. Сенситизация; Б. Габитуация; В. Неассоциативная; Г. Ассоциативная; Д. Эксплицитная.

281. Какая форма памяти оказывается нарушенной вследствие двустороннего удаления гиппокампа у человека?

А. Кратковременная; Б. Процедурная; В. Имплицитная; Г. Ассоциативная; Д. Декларативная.

282. Что из перечисленного ниже характеризует "синапс Хебба"?

А. Ростковые и метаболические изменения в пре- и постсинаптическом нейроне, повышающие эффективность синаптической передачи; Б. Возбуждение постсинаптической клетки несколькими пресинаптическими нейронами, каждый из которых в отдельности сделать это не может; В. Нейрон А способен возбудить нейрон Б, когда частота потенциалов действия в нейроне А достигнет некоторого критического значения; Г. Нейрон А практически всегда способен возбуждать нейрон Б; Д. Нейрон А возбуждает нейрон Б при условии, что одновременно на него будут действовать нейроны Х и Y.

283. В чём проявляются молекулярные механизмы памяти?

А. В особенностях строения ДНК нейрона; Б. В образовании специфических для разных видов памяти молекул РНК; В. В синтезе специфических для разных видов памяти белковых молекул; Г. В специфических биохимических изменениях нейронов и синапсов; Д. В повышенной интенсивности синтеза белковых молекул.

284. Что лежит в основе развития реакции привыкания?

А. Уменьшение чувствительности постсинаптической мембраны к действию нейромедиатора; Б. Уменьшение количества постсинаптических рецепторов; В. Инактивация тока кальция в пресинаптическое окончание; Г. Инактивация каналов для ионов натрия в пресинаптическом окончании; Д. Стойкая деполяризация пресинаптического окончания.

285. Какой процесс определяет возникновение сенситизации?

А. Увеличение количества функционирующих каналов для ионов натрия в пресинаптическом окончании; Б. Активация кальциевых каналов в пресинаптическом окончании; В. Повышение амплитуды постсинаптического потенциала вследствие конвергенции нескольких сенсорных нейронов к одному мотонейрону; Г. Замедленное расщепление медиатора на постсинаптической мембране; Д. Повышение чувствительности постсинаптических рецепторов к действию медиатора.

286. Что из указанного ниже не должно происходить при длительной сенситизации?

А. Активация молекул цАМФ-зависимой протеинкиназы; Б. Фосфорилирование регуляторных белков, контролирующих процесс транскрипции в ядре пресинаптического нейрона; В. Повышенный синтез цАМФ-зависимой протеинкиназы; Г. Уменьшение количества активных зон в пресинаптическом нейроне; Д. Образование дополнительных шипиков на дендритах постсинаптического нейрона.

287. Какой из указанных ниже процессов происходит при образовании условного рефлекса у аплизии, но не наблюдается во время сенситизации?

А. Активация серотонинэргического нейрона; Б. Действие серотонина на метаботропные рецепторы сенсорного нейрона; В. Активация аденилатциклазы; Г. Активация ц-АМФ-зависимой протеинкиназы; Д. Усиление действия аденилатциклазы под влиянием кальций-кальмодулина.

288. При каком условии в глутаматэргических синапсах гиппокампа возникает долговременная потенциация?

А. Достаточная деполяризация постсинаптического нейрона; Б. Присоединение глутамата к НМДА-рецепторам; В. Присоединение глутамата к не-НМДА рецепторам; Г. Присоединение глутамата к не-НМДА рецепторам и одновременная деполяризация; Д. Присоединение глутамата к НМДА-рецепторам на фоне деполяризации.

289. Какое из указанных событий, происходящих при долговременной потенциации, обеспечивает в конечном счёте образование долговременной памяти и длительное сохранение энграмм?

А. Присоединение медиатора к НМДА-рецепторам; Б. Деполяризация постсинаптического нейрона; В. Активация кальций-кальмодулин-зависимой протеинкиназы; Г. Активация протеинкиназы С и тирозинкиназы; Д. Экспрессия генов раннего и позднего действия.

290. Что служит сигналом для привлечения пресинаптического нейрона к долговременной потенциации?

А. Окись азота или окись углерода, выделяемые постсинаптическим нейроном при формировании ДВП; Б. Деполяризация пресинаптического нейрона; В. Вхождение ионов кальция в пресинаптическое окончание, обусловленное его предшествующей деполяризацией; Г. Диффузия любых вторичных посредников от пресинаптического нейрона к постсинаптическому; Д. Диффузия ц-АМФ-зависимой протеинкиназы к пресинаптическому нейрону от постсинаптического.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

66858. Архитектура ЭВМ. Взаимодействие подсистем ЭВМ через магистраль. Структура магистрали 120.89 KB
  Шина данных шина предназначенная для передачи информации. На материнской плате шина может также состоять из множества параллельно идущих через всех потребителей данных проводников например в архитектуре IBM PC. Основной характеристикой шины данных является её ширина в битах.
66861. Экономика пожарной безопасности 51.89 KB
  Особенностями пожаров на металлургических предприятиях являются: быстрое распространение огня в маслопроводах кабельных туннелях и этажах транспортерных галереях на покрытиях большой площади и в системах гидравлики высокого давления...
66863. Створення додатку для роботи з базою даних 616.5 KB
  Створення бази даних База даних буда створена у СУБД MS SQL Server 2000 згідно до обраної предметної області пункт прийому сировини шляхом генерації з фізичної моделі побудованої за допомогою Erwin згідно методичних вказівок. Отриманий результат має вигляд...