При привыкании повторяющееся возбуждение сенсорных клеток (на раздражение сифона) изменяет белки ионных каналов таким образом, что приток Са2+ в клетку падает за счет инактивации кальциевых каналов и количество высвобождаемого медиатора в синаптическую щель уменьшается.
Рассмотренные выше привыкание и сенситизация — очень простые формы научения. При ассоциативном научении процессы, происходящие в нервных клетках, значительно более сложны. Однако нейронные механизмы пластичности и связанные с ними ионные процессы, определяющие сенситизацию и привыкание, используются и в системе ассоциативного обучения. Так, события, развертывающиеся в нейроне во время сенситизации, могут быть обнаружены на начальном этапе ассоциативного обучения нейрона.
Отличительной особенностью ассоциативного обучения является наличие подкрепления, в роли которого может выступать сильное безусловное раздражение. Формирование ассоциации у нейронов предполагает наличие конвергенции подкрепляющего раздражителя и будущего условного сигнала. Механизмы условного рефлекса детально были изучены на нейронах моллюсков. Особенно следует отметить вклад, который внесли работы Э. Кэндела и его коллег, выполненные на морском моллюске аплизии. У моллюска имеется простой безусловный оборонительный рефлекс в
147
виде втягивания жабры, служащей органом дыхания, в ответ на раздражение его тела с противоположной стороны от жабры (сифона — мясистого отростка). Рефлекс вызывается возбуждением сенсорных нейронов сифона, которые прямо контактируют с мотонейронами жабры, а также с рядом интернейронов, образующих синапсы на тех же мотонейронах. Кроме того, рефлекс может быть вызван раздражением и других частей тела, в частности «хвоста», электрическая стимуляция которого и была использована в качестве безусловного раздражителя при выработке условного рефлекса. Установив, что у моллюска можно выработать условный оборонительный рефлекс — втягивание жабры — на слабое тактильное раздражение сифона, подкрепляемое электрическим ударом по «хвосту», авторы исследовали связи между сенсорными нейронами сифона и их клетками-мишенями — мотонейронами и интернейронами. Было обнаружено, что после выработки условного рефлекса слабая стимуляция сенсорных нейронов, связанных с сифоном, одновременно начинает вызывать возбудительные синап-тические потенциалы как в интернейронах, так и в моторных, что и определяет появление условнорефлекторного втягивания жабры. Э. Кэндел и Р. Хокинс (1992) так описывают результаты своих исследований по выработке условного оборонительного рефлекса у аплизии. Безусловный раздражитель — электрический удар по «хвосту» — активирует модулирующие нейроны, выделяющие се-ротонин. Таким образом, безусловный раздражитель представлен в сенсорном нейроне опосредованно через модулирующие нейроны. Условный раздражитель на сенсорном нейроне представлен их собственной активностью. Пунктом их конвергенции в сенсорном нейроне является аденилатциклаза, активация которой через два входа создает эффект, аналогичный сенситизации. Повышение проводимости через синапс в пресинаптическом нейроне, возникающее при ассоциативном обучении за счет совпадения активирующих влияний, поступающих через разные входы, требует от них соблюдения определенных временных отношений. Условный сигнал должен опережать действие безусловного на некоторый критический интервал времени. Это правило временных отношений условного и безусловного раздражителей было сформулировано И.П. Павловым. Для условного рефлекса втягивания жабры время опережения условным сигналом безусловного составляет около 0,5 с. Модулирующие нейроны, активированные болевым раздражением «хвоста» и действующие как усилители, вызывают большее пре-синаптическое облегчение сенсорных нейронов, если последние незадолго до этого находились в активном состоянии. Стимуляция же одних модулирующих нейронов вызывает меньшее синапти-148
Пресинапти-ческий нейрон
Пресинапти-ческий нейрон
Пост-
синапти- Пресинапти-ческий ческий нейрон • нейрон
Модулирующий нейрон
Пост-синапти-ческий нейрон
Рис. 34. Два принципа обучения: пре-постсинаптическое совпадение —
синапс Хебба (а) и обучение,'зависимое от модулирующего нейрона, —
пре-модулирующее совпадение, или зависимое от активности облегчение (б)
(по Э. Кэнделу, Р. Хокинсу, 1992).
ческое облегчение. Поэтому необходимо опережение безусловного раздражителя активацией пресинаптического нейрона, которая представляет действие условного раздражителя.
Это свойство пресинаптического облегчения, зависящее от вклада модулирующих нейронов, в 1963 г. Л. Тауц и Э. Кэндел назвали обучением, зависящим от активности (рис. 34), и стали его рассматривать как новый принцип обучения. Поэтому к первому принципу обучения, предложенному в 1949 г. Д. Хеббом, добавился второй. Принцип Д, Хебба утверждает необходимость совпадения активности пресинаптического и постсинаптического нейронов как условие усиления связи между ними (пре-постсинаптическое совпадение}. Он получил название «синапс Хебба*. Согласно второму принципу для усиления связи между нейронами активность постсинаптической клетки не нужна, если одновременно с пресинаптической клеткой активирован третий нейрон — модулирующий (пре-модулирующее совпадение).
Суть обучения, зависящего от активности, составляет одновременная активация фермента аденилатциклазы ионами Са2+, входящими в нейрон во время генерации ПД, и серотонином от модулирующих нейронов.
Появление пресинаптического облегчения в составе ассоциативного обучения за счет участия модулирующих нейронов доказано при формировании условного оборонительного рефлекса у виноградной улитки. В системе оборонительного рефлекса улитки модулирующие нейроны представлены пулом серотонинергичес-
149
ких клеток педального ганглия. Их модулирующее влияние широко распространяется в том числе и на пресинаптические окончания сенсорных нейронов на командном нейроне оборонительного рефлекса. Избирательная блокада модулирующих нейронов препятствует выработке условного рефлекса. Сопровождение условного сигнала ударом тока активирует модулирующие нейроны, которые запускают механизм пресинаптического облегчения.
Неясно, как далеко можно экстраполировать данные, полученные на моллюсках. Таков ли клеточный механизм фиксации следов памяти и у других животных? Э. Кэндел и Р. Хокинс полагают, что при обучении у моллюска и у млекопитающих действуют сходные механизмы, использующие модулирующее вещество, вызывающее зависимое от активности усиленное выделение ней-ромедиатора из пресинаптического нейрона. По их мнению, долговременная потенциация в гиппокампе как одна из форм обучения млекопитающих требует участия специального гипотетического модулирующего вещества.
6.5. ДОЛГОВРЕМЕННАЯ ПОТЕНЦИАЦИЯ
И ДОЛГОВРЕМЕННАЯ ДЕПРЕССИЯ КАК ВЫРАЖЕНИЕ ПЛАСТИЧНОСТИ В БИДИРЕКЦИОННОМ СИНАПСЕ
После того как в мозжечке было открыто явление долговременной депрессии (ДВД) и ее удалось связать с механизмом выработки мигательного условного рефлекса, интерес к изучению ДВД резко возрос. ДВД в мозжечке выявлена в отношении возбудительной передачи и развивается на синапсах параллельных волокон — сенсорного пути к клеткам Пуркинье.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113