Дата создания сайта: 20/12/2012 Дата обновления главной страницы:
14.04.2019 09:14
e-mail:
icq:
613603564
поддержка
проекта:
разместите на своей странице нашу кнопку!И мы
разместим на нашей странице Вашу кнопку или ссылку. Заявку прислать на
e-mail
код нашей кнопки:
Огромная заслуга И. П. Павлова состоит в открытии и
детальном исследовании условного рефлекса, представляющего собой
важнейший принцип функционирования центральной нервной системы. В
многочисленных экспериментальных исследованиях советские физиологи
изучили основные закономерности и проявления условного рефлекса у
человека и животных, способствуя тем самым более глубокому пониманию
высшей нервной деятельности.
Но условный рефлекс - не единственный функциональный принцип центральной
нервной системы, к такому заключению привели накопление
экспериментальных данных и быстрый рост знаний в этой области. На основе
теоретических предпосылок, созданных И. П. Павловым, появились новые
представления. Например, П. К. Анохиным была разработана концепция
функциональной системы, обеспечивающей организму неразрывное единство со
средой благодаря обратной афферентации и сличению результатов
осуществляемой деятельности с условиями существования*. Назовем также
концепцию П.В.Симонова, раскрывающую особую роль
эмоционально-мотивационных компонентов в условно-рефлекторных процессах
и высшей нервной деятельности в целом. Нельзя забывать и о том, что И.
П. Павлов, провозгласив условный рефлекс функциональным принципом высшей
нервной деятельности, пришел тем самым к важнейшему теоретическому
обобщению. В его представлениях замыкание временных связей между
элементами функциональных систем мозга - основа образования следов
памяти, или, как бы мы сказали об этом сегодня, - основа накопления
информации в центральной нервной системе.
Совокупность приобретенной информации, врожденных программ деятельности
и оценки ее результатов обеспечивается относительно стабильными
функциональными связями, что со-
ставляет в конечном итоге нейрофизиологическую основу психической
деятельности, осознаваемых и неосознаваемых взаимоотношений организма с
его природной и общественной средой.
Существуют стабильные и временные функциональные связи между нервными
клетками, обеспечивающие единство нервной системы и определяющие
характер деятельности функциональных структур. Материальный субстрат
этих связей - множество разнообразных межнейронных (т. е. между нервными
клетками - нейронами) синаптических контактов. Именно эти контакты
заслуживают особого внимания при выяснении процессов, лежащих в основе
замыкания временной связи.
В прошедшие годы мы изучали преимущественно клеточные процессы, лежащие
в основе изменений эффективности синаптической передачи, образование
новых или перестройку ранее существовавших межнейронных связей. При этом
мы учитывали новейшие достижения общей нейробиологии, способствующие
пониманию наблюдаемых процессов и уточнению теоретических концепций*.
Рассматривая межнейронные взаимоотношения, которые в основном
реализуются за счет синаптических связей, следует иметь в виду различные
аспекты этих взаимоотношений, такие, как морфолого-топологический,
физико-энергетический, химико-вещественный и информационный.
Эти аспекты отнюдь не самостоятельны, они представляют собой разные
формы межнейронных отношений и поэтому не могут быть отделены друг от
друга. Если даже из методических соображений рассматривается лишь один
из них, действительное понимание межнейронных взаимоотношений
оказывается возможным только с учетом всех форм проявления межнейронных
связей. Это положение составляет подлинную основу нейробиологических
исследований, требующих в высшей степени комплексного подхода.
Какая-либо одна форма изменения определенных межнейронных
взаимоотношений не может быть причиной других форм их проявления.
Например, биохимические изменения, вызванные психофармакологическим
препаратом и коррелирующие определенным образом с поведением, могут
рассматриваться как причины данной формы активности, хотя в
действительности они свидетельствуют лишь о явлениях на нижележащем
уровне биологической организации.
Естественно возникает вопрос о значении процессов на
молекулярно-клеточном уровне для понимания функций нервной системы, и в
первую очередь - высшей нервной деятельности. Ответ на него каждый раз
зависит от конкретной постановки проблемы. С точки зрения особенностей
информационных процессов в мозге и процессов высшей нервной деятельности
биохимические изменения - относительно неспецифический инструмент
исследования когда речь идет о конструкции нервной сети, ее
перестройках, накоплении энергии и тех или иных веществ, передаче
сигналов в клетках или между ними. Неисчислимое многообразие форм
поведения или психической деятельности в большей мере относится к
топологическому аспекту взаимоотношений нервных клеток. Уже
приблизительное количественное сопоставление позволяет выявить здесь
определенное качественное своеобразие: сравнительно небольшое число -
примерно 105 различных макромолекул и приблизительно 104 различных
простых молекулярных связей обеспечивают по меньшей мере 1016
синаптических контактов между нервными клетками, являющихся основой
астрономического количества комбинаций их топологических отношений.
Поэтому сам по себе сложный узор молекулярных или внутриклеточных
процессов в мозге без детального учета пространственно-временного
(топологического) расположения соответствующих клеток оказывается
"немым" с точки зрения информационного содержания. То же самое относится
и к физико-энергетическим и электрофизиологическим аспектам. Из этого
вытекает, что поиск специфической "молекулы памяти" представляет собой,
очевидно, ошибочную научную стратегию.
Но это ни в коем случае не значит, что биохимия вообще не имеет
отношения к пониманию функций мозга; напротив, приведенные выше
положения позволяют наметить определенные границы и возможности
исследований.
Непрерывная нервная деятельность, столь характерная для живой системы,
сопровождается изменениями обмена веществ, молекулярно-клеточных
процессов, и только точное знание существа этих процессов позволит
выявить их зависимость от физических и химических факторов и влияние на
них этих факторов. Поэтому выяснение клеточных и молекулярных
механизмов, благодаря которым реализуются временные связи и
устанавливаются новые топологические отношения в нервной системе,
представляет собой ключ к более глубокому пониманию мозговой
деятельности и использованию этих знаний на благо человека.
В начале исследований мы были в трудном положении. Молекулярная биология
переживала тогда лишь первые шаги своего бурного развития; полностью
опираться на ее результаты было еще рано, но нельзя было и целиком
исходить из имевшихся в нашем распоряжении знаний о химической передаче
сигнала через нейрональные синапсы. Правда, к тому времени уже был
получен ряд интересных данных о биохимических процессах и возможностях
их изменений под влиянием различных форм обучения. Нас далеко завело бы
детальное изложение соответствующих результатов, однако о некоторых
следует упомянуть, чтобы охарактеризовать нашу исходную позицию.
В многочисленных экспериментах на животных удалось обнаружить
существование различных форм памяти, различающихся по временным
Рис. 1. Временные параметры различных форм
памяти и соответствующие типы ее регуляции
Рис. 2. Схематическое изображение синапса -
контакта нервного окончания с другой клеткой. Переносчиком возбуждения
служит химическое вещество - медиатор. Медиатор высвобождается нервными
окончаниями, диффундирует к постсинаптической клетке и воздействует на
соответствующие рецепторы, что приводит к изменениям проницаемости
клеточной мембраны для ионов Na~, К" или С1 и сопровождается повышением
или снижением мембранного потенциала. В зависимости от функционального
состояния и существующего мембранного потенциала постсинаптического
нейрона в нем развивается та или иная окончательная реакция. Этот
основной тип синапса встречается в многочисленных модификациях
константам и по способности изменяться при различных
воздействиях (рис. 1). Одна форма возникала уже в процессе переработки
информации в ходе обучения, ее длительность измерялась секундами - это
кратковременная память (КП). За несколько часов она постепенно
превращалась в долговременную память (ДП), которая сохранялась в течение
дней, недель и даже всей жизни. Имелись также указания на то, что может
существовать промежуточная память (ПП), длящаяся до завершения
образования (консолидации) ДП.
Полноценное образование ДП может быть подавлено электрошоком (ЭШ),
наносимым непосредственно после сеанса обучения. Но подав-
ляющее*-память (амнезирующее) действие ЭШ убывает по мере увеличения
временного интервала между завершением обучения и нанесением ЭШ. Так
возникает характерный градиент действия ЭШ. Эти данные напоминают
клинические наблюдения, согласно которым после тяжелых сотрясений мозга
возникает так называемая ретроградная амнезия. Образование ПП, с другой
стороны, может быть подавлено некоторыми кратковременными наркотическими
воздействиями, существенно не затрагивающими ДП.
Напротив, избирательные воздействия на КП трудно осуществимы, так как
при этом неизбежно затрагиваются процессы восприятия и
переработки информации в ходе продолжающегося
обучения.
Под влиянием ряда физиологически активных веществ проявления следа
памяти могут улучшаться или ухудшаться. При этом учет времени и места
введения соответствующего вещества, так же как и механизмов его
действия, могут способствовать пониманию клеточных механизмов
образования следа памяти. В этой связи заслуживают внимания исследования
американского ученого Дж. Мак Гоу (McGaugh), прежде всего в методическом
аспекте. Он показал, что для различения воздействий собственно на ДП и
на ее консолидацию соответствующее воздействие целесообразно
предпринимать сразу после сеанса обучения, с тем чтобы избежать влияния
на процесс самого обучения. Именно таким путем возможно улучшать процесс
консолидации с помощью стимуляторов центральной нервной системы. Другие
исследователи показали, что введение ингибиторов белкового синтеза
приводит к частичному или полному подавлению процесса консолидации ДП.
Такой же эффект может быть получен с помощью ингибиторов синтеза РНК.
Интерпретация этих данных неоднозначна - есть целый ряд пока
малопонятных противоречий. Они связаны, скорее всего, с методическими
различиями, так как в экспериментах использовались разные виды животных
и разные модели обучения.
К тому же наблюдавшиеся данные интерпретировали исходя из различных
концепций и гипотез. Но еще более противоречивыми представляются
результаты тех работ, задача которых состояла в отыскании биохимических
коррелятов собственно процессов обучения и памяти. Первые опыты такого
рода провели шведский биохимик X. Хиден (Hyden) и его сотрудник
П.В.Ланге (Lange), применив метод "меток" (радиоактивных
предшественников синтеза РНК и белков). Две особенности в известной мере
ограничивали применение этого метода in vivo. Первое - функциональное
многообразие мозга, который не может рассматриваться как единый орган,
например, как печень, построенный из метаболически идентичных клеток, а
представляет собой концентрированное скопление с трудом расчленяемых
взаимопереплетенных функциональных систем. Биохимическое исследование
целого мозга столь же мало информативно, как и определение общей массы
тела. И второе - трудность определения истинной скорости синтеза в
клеточных структурах не только по приросту их радиоактивности за счет
включения меченых предшественников, но и по специфической
радиоактивности предшественников там, где протекает синтез. Эти скорости
удается определять лишь весьма приблизительно, так что против полученных
таким путем данных всегда могут быть выдвинуты определенные методические
возражения. Необходимо поэтому для получения достоверных результатов
применять как можно больше разнообразных, взаимно друг друга дополняющих
методик.
В конечном итоге в таких экспериментах независимо от техники
исследования возникает общая методологическая проблема: в какой мере
изменения, коррелирующие с процессом обучения, специфически связаны с
ним, а не отражают лишь суммарную активность нервных клеток, процессы
восприятия раздражений, их переработку, вызванную моторную активность
или неизбежный стресс. Это затрагивает сложнейшую проблему адекватного
контроля в такого рода экспериментах. И поскольку здесь пока еще не
найдено идеального или по меньшей мере удовлетворительного решения,
приходится использовать контрольных животных, которые подвергаются таким
же воздействиям, что и подопытные животные, но не приобретают при этом
ДП.
Несмотря на все эти трудности многие лаборатории независимо друг от
друга, используя разные модели обучения и виды животных, обнаружили, что
после завершения обучения могут наступать изменения обмена РНК и белков,
главным образом в виде повышения скорости их синтеза. Такого рода
изменения обнаруживаются в различных отделах мозга, в первую очередь в
коре больших полушарий и гиппокампе.
Гиппокамп представляет собой древнюю форму мозговой коры, относящуюся к
так называемой лимбической системе, принимающей участие в обработке
аффективных воздействий. "Выключение" гиппокампа может нарушать следы
памяти, а при болезненных нарушениях памяти в этой структуре нередко
обнаруживаются патологические изменения. ?
Поскольку мы начинали свои исследования в такой исходной ситуации и нас
привлекала эта область нейробиологии, я постарался сначала
сформулировать концепцию, которая могла бы служить теоретической основой
систематических экспериментальных исследований. Моя концепция исходит из
существования уже упомянутых различных форм памяти и допущения, что
характерные для них временные параметры, как они представлены на рис. 1,
обусловлены молекуляр-но-клеточными процессами с соответствующими
временными константами. Далее я предположил, что физические и
биохимические изменения, обеспечивающие эффективность синаптической
передачи, осуществляются на основе энергетических или обменных
компонентов синаптической активации во время процесса обучения.
При этом я прежде всего обратил внимание на вещества-передатчики (нейромедиаторы),
учитывая их двойственную функцию: передачу нервного возбуждения от одной
нервной клетки к другой и их способность изменять или регулировать обмен
веществ в пре- и особенно постсинап-тических клетках (рис. 2). Эти
соображения, как и известные особенности функционирования регу-ляторных
систем в других клетках и тканях, позволили создать гипотетическую
модель внутриклеточной регуляции образования синаптиче-ской связи как
биологической основы формирования памяти. Она впервые была изложена в
1971 г. на III Всесоюзной фармакологической конференции в Киеве, а
позднее была модифицирована и описана. Модель схематически представлена
на рис. 3 в форме, включающей как более поздние результаты собственных
исследований, так и успехи нейробиологии в целом. В соответствии с
существованием трех главных форм памяти выделяются три главных формы
регуляции синаптической связи (рис. 1 и рис. 3).
Синаптическая регуляция обеспечивает относительно кратковременные
изменения функций синапсов и каких-либо компонентов мембран и
основывается главным образом на конформационных
Рис. 4. Схематическое изображение опыта по
зрительному различению. Крыса получает электрокожное раздражение (ЭКР)
через пол стартовой норы и может убежать в любой из двух других ходов
Y-образного лабиринта. При побежке в затемненный ход животное снова
получает ЭКР, при побежке в освещенный - избавляется от его действия.
Крыса обучается правильно выбирать примерно в течение 45 побежек (45
мин)
Рис. 5. Включение радиоактивных предшественников
в рибонуклеиновые кислоты (РНК) и белки мозга крысы во время и после
сеанса обучения. В верхней части рисунка - срез мозга крысы, точки -
места усиленного включения предшественников, т. е. места активного
синтеза макромолекул (макроавторадиография). В средней части - сравнение
пирамидных клеток гиппо-кампа обученных крыс с активным контролем (мик-роавторадиография).
Подсчет зерен серебра фотоэмульсии в идентичных клето "ных группах мозга
активного контроля и обученных животных служит основой для
соответствующей количественной оценки (внизу)
перестройках мембранных белков. Перестройки
вызываются либо изменениями ионного баланса во время синаптической
активности в процессе обучения, либо выделяющимися при этом
нейромедиаторами. Изменения могут возникать в пре- и постсинаптических
структурах и лежат в основе кратковременной памяти (КП).
Синаптосомальная регуляция включает систему регуляции, которая
локализована не только непосредственно в синаптических мембранах. При
этом может иметь место активация нейромедиаторами или ионами кальция
ферментов, например, аденилат- или гуанилатциклазы, катализирующих
образование соответствующих циклических нуклеотидов. Последние, в свою
очередь, активируя другие ферменты - киназы, вызывают фосфорилирование
белков или липи-дов и изменяют функциональные характеристики
постсинаптических мембран. Однако не только фосфорилирование следует
принимать во внимание. В этой системе регуляции могут играть роль
процессы метилирования, ацетилирования или гликозилирования. Следует
также помнить о возможности обратного захвата нейромедиаторов. Ни один
из этих процессов не следует считать превалирующим, различные медиаторы
могут приводить в действие одновременно различные регуляторные
механизмы. Поскольку кинетика этих процессов характеризуется умеренными
скоростями, они могут рассматриваться как биологические основы
промежуточной памяти (ПП).
Ядерная регуляция характеризуется изменениями
Рис. 6. Рассечение мозга крысы для проведения
дифференцированного биохимического исследования отдельных областей мозга
Рис. 7. Временные соотношения биохимических,
электрофизиологических, поведенческих и морфологических показателей
после выработки зрительного различения
активности генов, т. е. количественными и
качественными изменениями ДНК-зависимого синтеза РНК, что влечет за
собой соответствующие изменения синтеза белка. Причины этих процессов
могут быть различны. Сравнительно большая длительность макромолекулярных
синтезов, так же как и время транспорта веществ от синаптических
структур к ядру и обратно, обусловливают замедленность этой формы
регуляции. Благодаря встраиванию вновь синтезированных макромолекул в
мембрану и включению их в обмен веществ длительность изменений функций
синапса оказывается достаточной для развития долговременной памяти (ДП).
В этой модели не делается акцента на синтезе новых белков в нейроне -
она противостоит представлению об образовании упоминавшихся выше
"молекул памяти" и о кодировании памяти на молекулярном уровне. Она
скорее основывается на системных свойствах мозга, на топологии
межнейронных связей. На этой основе мы смогли уточнить конкретную
постановку вопросов, пути их решения и методические приемы.
Мы решили сначала обратиться к процессам образования ДП и лежащим в их
основе клеточным регуляторным механизмам. Как уже упоминалось,
проводившиеся до сих пор исследования не привели к каким-либо
однозначным и окончательным результатам. Мы предположили, что, помимо
трудностей биохимического анализа in vivo, существенную роль должны
играть особенности эксперимента по обучению. Можно было полагать, что
объем участвующих в обучение популяций клеток и интенсивность
биохимических процессов возрастают по мере усложнения процессов обучения
и поэтому легче могут быть выявлены с помощью соответствующих
методических приемов. Однако следовало иметь в виду, что
чрезмерно сложный поведенческим эксперимент, требующий для завершения
многих часов или даже дней может вести к перекрытию во времени процессов
обучения и консолидации следов памяти. По этой причине необходимо было
найти методический компромисс.
Принимая во внимание рассмотренную выше кинетику различных форм памяти,
мы решили использовать в поведенческих экспериментах не широко
применяемую методику выработки в одной пробе условной реакции пассивного
избегания, а зрительную дифференцировку. В экспериментах использовались
лабораторные белые крысы. Из стартового отделения крыса должна была
перебегать в Y-образном лабиринте под влиянием умеренного электрического
раздражения, подаваемого через пол, в один из двух ходов, из которых
первый был затемненным, второй - освещенным (рис. 4). При этом побежка в
затемненный ход наказывалась электрическим раздражением,
Рис. 8. Синтез белков и образование
гликопротеидов при различных способах активации гиппокампа. Левые
столбики - зрительное различение; правые столбики - непрямое
электрическое раздражение (стимуляция перегородки, от которой отходят
волокна, активирующие гиппокамп). Изменение в % по отношению к
соответствующему контролю
Рис. 9. Маркировка и внутриклеточный транспорт
гликопротеидов. Введение 3Н-фу-козы в ткань мозга. Включение меченой
фукозы в предсуществующие или внцвь синтезируемые белки происходит в так
называемом эн-доплазматическом ретикулю-ме тела клетки. Невключившаяся
фукоза относительно быстро удаляется, так что микроавторадиографически
удается обнаружить лишь перемещения радиоактивности, отражающие
внутриклеточный транспорт меченых гликопротеидов
а в освещенный - нет. Таким образом, животное
обучалось убегать в освещенный ход. Для того чтобы избежать проявления у
крыс право-левого предпочтения, освещение ходов изменялось. Успешным
завершением процесса обучения считалось наличие пяти безошибочных
выборов освещенного хода. В среднем крысы достигают этого критерия после
45-50 побежек, т. е. в течение примерно 45 мин. Можно принять, что
процессы консолидации, которые мы хотели исследовать, к этому времени
еще далеко не завершены. Через 24 часа, когда уже должны образоваться
следы долговременной памяти, процесс обучения повторялся. Уменьшение
количества ошибочных побежек до достижения того же критерия во втором
опыте служило мерой сохранения приобретенной формы поведения, т. е.
долговременной памяти.
Для биохимических исследований, кроме обучавшихся, использовались
животные еще двух типов: назовем их пассивным и активным контролем.
Животные пассивного контроля оставались в своих клетках и не
подвергались специальным экспериментальным воздействиям, животные
активного контроля получали такое же количество электрокожных
раздражений в стартовом отделении, что и обучавшиеся животные, и
осуществляли такое же количество побежек. Они получали столько же "электрических наказаний", только в случайном порядке, так что у них не
вырабатывалась зрительная дифференцировка. Сотрудник нашего института Т.
Отт (Ott) исследовал закономерности этого эксперимента, его отличие от
других поведенческих моделей у крыс и охарактеризовал временные
параметры различных фаз памяти. По чувствительности долговременной
памяти к электрошоку можно было заключить, что ее образование
завершается через 5-7 часов после обучения, так как после этого времени
с помощью электрошока уже не удается получить амнезирующего эффекта.
Эта модель использовалась почти во всех следующих экспериментах, с тем
чтобы иметь возможность сопоставлять различные показатели. Чтобы
выявить, в каких мозговых структурах прежде всего и в наибольшей степени
обнаруживаются изменения синтеза макромолекул, например РНК, были
проведены гистоавторадиогра-фические исследования. С этой целью перед
опытом мы инъецировали крысам в желудочек мозга меченый тритием уридин
или уридинмонофосфат. Через 1 час после обучения из мозга изготовлялись
гистологические срезы, покрывавшиеся фотоэмульсией. В местах включения
уридина в РНК наблюдалось почернение, степень которого можно было
оценить количественно. Оно было пропорционально степени включения
меченого предшественника (рис. 5).
С учетом всех оговорок, которые необходимы при интерпретации результатов
таких исследований, опыты показали, что, во-первых, при обучении,
очевидно, активируется синтез РНК и, во-вторых, в этом процессе особенно
"заинтересован" гиппокамп. Поэтому мы провели дополнительные
исследования этой мозговой структуры радиохимическим методом с
использованием меченых аминокислот для определения белкового синтеза.
При этом внимание концентрировалось в основном на нейрональных
популяциях и на синапсах, чтобы выявить общие закономерности лежащих в
основе обучения кле1-очных процессов.
Мы использовали методику рассечения мозга крысы, разработанную В. Поле (Pohle),
в Магдебурге, позволявшую в течение нескольких минут получать препараты
гиппокампа и других важных мозговых структур (рис. 6).
Кроме биохимических исследований, Ю. Вен-цель (Wenzel) из Анатомического
института Берлинского университета имени Гумбольдта провел
электронно-микроскопические морфометричес-кие измерения при таких же
поведенческих экспериментах. Все результаты схематически представлены на
рис. 7. Сверху- временные показатели сохранения (воспроизводимость
приобретенной формы поведения) предположительно промежуточной и
долговременной памяти и градиент вызываемой ЭШ амнезии, полученные в
исследованиях Отта. Ниже приведены результаты, представляющие, по нашему
мнению, корреляты промежуточной памяти: наступающий уже во время
обучения прирост количества выявляемых элек-тронно-микроскопически
синаптических структур и величина поверхности их постсинаптических
утолщений в гиппокампе, а также прирост медленной ритмической активности
7-9 кол/с в этой же структуре. Относительно функциональной роли этих
перестроек еще нельзя дать окончательных заключений, они являются
предметом дальнейших экспериментальных исследований. Ниже приведены
общие результаты микроавто-радиографических исследований: во время и
непосредственно после обучения наблюдается изменение включения меченных
тритием предшественников как в РНК, так и в белки гиппокампа. Обращает
на себя внимание, что вслед за первой фазой умеренного синтеза
макромолекул после кратковременной фазы покоя наступает новый подъем
скорости синтеза, приходящийся на такую временную точку, когда животные
уже давно спокойно сидят в клетках вивария. Как показывает следующая
строка, эти результаты подтверждаются радиохимическими исследованиями
синтеза белка. Кроме того, они свидетельствуют, что первая фаза
усиленной активности обнаруживается в растворимых белках, в то время как
вторая обусловлена преимущественно мембранно-связанными белками.
Важное указание на природу вновь образованных белков дало использование
фукозы, меченной по тритию. Этот углевод встраивается в качестве
концевой группы в сахарные компоненты многих гликопротеидов. Из-за
своего незначительного распада в мозге этот сахар по методическим
соображениям очень удобен для меток.
Как показывает последняя строка рис. 7, динамика образования
гликопротеида соответствует общему ходу синтеза белка, включение фукозы
после процесса обучения возрастает и имеет двухфазный характер.
После этих согласующихся результатов, которые и в остальном
соответствовали временным параметрам поведения, у нас все же оставались
сомнения в усилении макромолекулярного синтеза именно после процесса
обучения, так как значительные количественные сдвиги были установлены и
в активном контроле, испытывавшем такую же сенсорную и моторную
нагрузку, как и опытные животные. Принимая во внимание сложность
контроля, мы весьма критично относились к нашим результатам и
постарались получить подтверждение обнаруженных закономерностей в других
экспериментах.
Были поставлены специальные опыты по усилению ритмической активности в
гиппокампе. Мы вызывали подобную активацию не процессом обучения, а
путем электрической стимуляции особой мозговой структуры- перегородки.
Она
Рис. 10. Схема цепей обменных процессов в
нервной клетке, развивающихся под влиянием связывания дофамина со своими
рецепторами и ведущих к двухфазному повышению образования
гликопротеидов. Одна фаза - правая цепь, вторая - левая. Два ряда
процессов, встречаясь, приводят к образованию гликопротеида. Этот белок,
достигая клеточной мембраны, меняет ее состав и свойства. Знаком вопроса
отмечены предполагаемые, но еще строго не установленные звенья
Рис. 11. Клеточная модель образования следа
памяти. После активации синапса (условный стимул, УС) возникает
кратковременная локальная фасилитация, которая усиливается за счет
активации другого синапса (безусловный стимул, БС) и некоторых других
факторов. Одновременно активация клетки неспецифически стимулирует
синтез РНК и белка. Определенную роль в этом,вероятно, играет и влияние
"мотивационного" входа. Эмоциональные реакции индуцируют усиление
синтеза гликопротеидов. Гликопротеиды транспортируются в дендриты. Их
встраивание в постсинаптические мембраны стабилизирует до этого
кратковременно фа-силитированные синапсы, благодаря чему достигается
длительное повышение их проводимости и распространение возбуждения при
повторной активации синапса УС. Это упрощенная схема клеточных изменений
в нервной сети, которые образуют основу сложного следа памяти
Рис. 12. Внутринейрональное действие различных
веществ на образование следов памяти (дополнение к рис. Ц) I - усиление
II - торможение
связана с гиппокампом содержащими ацетилхолин
нервными волокнами и окончаниями, через которые он может побуждаться к
ритмической активности. После раздражений, которые по механизму едва ли
совпадают с выработкой реакции зрительной дифференцировки, мы определяли
белковый синтез и образование гликопротеидов. Такая активация гиппокампа
сопровождалась усилением синтеза белка (рис. 8 и 9), но образование
гликопротеидов при этом не наблюдалось. Таким образом, повышенное
образование гликопротеидов можно считать более характерным для
перестроек функциональных структур при развитии долговременной памяти,
чем первичный синтез белка. ?
Теперь мы поставим два вопроса: что вызывает (индуцирует) синтез белков
и гликопротеидов и какие макромолекулы при этом образуются? Мы решили
исследовать оба этих вопроса в надежде, что ответы на них дополнят друг
друга. Для того чтобы детально выяснить природу образующихся
макромолекул, представлялось необходимым исследовать их как с помощью
известных хроматографических и электрофоретических методов, так и
привлекая новые методы.
Исходя из общих представлений о механизме консолидации следа памяти,
следовало найти непосредственную причину этих процессов. Мы исходили из
предположения, что синтез макромолекул может индуцироваться
синаптической передачей в процессе обучения. Но какие медиаторы могли бы
индуцировать эти синтезы? Поскольку электрическая стимуляция содержащих
ацетилхолин волокон перегородки не вызывала повышения образования
гликопротеидов, о чем было сказано выше, ацетилхолин, как возможный
индуктор, был исключен. В специальной серии опытов мы сразу после
обучения вводили в гиппокамп фармакологический препарат апоморфин,
действующий подобно одному из медиаторов - дофамину. Нам удалось
наблюдать, что выработанные реакции лучше сохранялись. Наряду с этим
апоморфин вызывал медленную ритмическую активность и повышал синтез
глико-протеидов in vivo. Это побудило нас исследовать влияние данного
вещества не только в опытах на животных в рамках поведенческого
эксперимента, но и на срезах гиппокампа в опытах in vitro. Если
повышение синтеза гликопротеидов представляет собой клеточный ответ на
реакцию с дофамином, оно должно наблюдаться и в упрощенных условиях,
предоставляющих методическую возможность для более точных определений. И
в самом деле, как физиологический медиатор дофамин, так и апоморфин
усиливали включение фукозы в гликопротеиды, тогда как многочисленные
другие нейромедиаторы, даже химически очень близкий норадреналин,
оказались в этом отношении неэффективными.
В других экспериментах удалось установить, что дофамин в гиппокампе и
некоторых других мозговых структурах путем активирования фермента
аденилатциклазы приводит к увеличению образования ц-АМФ (циклического
аденозинмонофосфата), что и было обнаружено на срезах мозга. Исходя из
этого мы смогли путем добавления проникающего через мембрану
производного ц-АМФ дибутирилц-АМФ непосредственно повысить синтез
гликопротеидов в срезах гиппокампа. На этом факте основывалось
представление о первом участке регуляции (рис. 10).
Из этого в значительной степени упрощенного описания только первого
участка регуляции видно, насколько сложны изучаемые процессы. В
настоящей статье мы не имеем возможности остановиться подробно и с
должной детализацией на всех известных к настоящему времени стадиях
синтеза. Можем лишь отослать читателя к рис. 10, предупредив его, что и
схема и ее описание также, естественно, упрощены. Для более глубокого
понимания, конечно, необходимы специальные знания. Здесь мы можем лишь
констатировать, что с помощью специальных методических приемов удалось
вскрыть многие, хотя й не все, детали этого процесса. Это позволяет
выдвинуть гипотетическую функциональную модель образования временной
связи (рис. 11). В упрощенном виде ее можно представить так.
На интегрирующем или ассоциативном нейроне имеются по меньшей мере 4
входа, которые должны взаимодействовать при образовании временной связи.
Через дендритный вход (восприятие 1) импульсные залпы как условный
сигнал вызывают высвобождение возбуждающего нейромедиатора, например
глутамата. Так как синапс еще не "проводим", это приводит только к
локальным постсинаптическим потенциалам. Одновременно может наступать
кратковременное облегчение (фасилитация) проводимости синапса
за счет ряда специальных процессов. Если во время такой фасилитации
активируется "восприятие 2" (безусловный сигнал), это приводит к
удлинению процесса на условном входе и одновременно усиливается синтез
одного из предшественников РНК. Этому может способствовать нейрональная
стимуляция, вызываемая мотивационными воздействиями и неспецифическим
повышением уровня активности. Одновременно сказывается совпадение
условного и безусловного сигналов в связи с оценкой успеха действия как
существенного для снижения мотивационного напряжения, что приводит к
стимуляции системы вознаграждения путем активации структур, медиатором
которых является дофамин или другие амины. Образовавшиеся гликопротеиды
транспортируются в дендритные отростки и включаются в постсинаптические
мембраны только тех синапсов, которые уже оказались "маркированными"
предшествующей фасилитацией. Благодаря гликопротеидам наступает
стабилизация фасилитированных состояний - след памяти становится
перманентным.
Естественно, эти процессы осуществляются в многочисленных синапсах в
нервной сети соответственно многообразию накопления сложной информации.
Так или подобным образом на основе сегодняшних знаний, в том числе и
наших собственных результатов, возможно, осуществляется консолидация
следа памяти. Эта модель, по нашему мнению, - первая модель такого рода,
где нейрофизиологические события через процессы на системном уровне
связываются с процессами клеточно-молекулярного уровня. Ни одна
химическая связь, ни одна единственная клетка сами по себе не являются
носителями сложной информации, соответствующей приобретенной форме
поведения. Они - лишь инструменты возникновения новых топологических
отношений в нервной сети и, следовательно, новых
пространственно-временных связей как материальных носителей
информационных процессов.
Наши исследования имеют еще один аспект. Мы установили, например, что
лимитирующие звенья нейрональных регулирующих процессов также могут
ограничивать консолидацию долговременной памяти и приводить к
недостаточному сохранению следа памяти. Так, накопление пиримидиновых
нуклеотидов, которые необходимы как для синтеза РНК, так и для активации
сахарных компонентов образования гликопротеидов, также может быть
лимитирующим фактором. Путем введения извне предшественников РНК,
например, пиримидиновых нуклеотидов или оротовой кислоты, это
ограничение может быть преодолено и достигнуто улучшение долговременной
памяти. Исследования в этом направлении, может быть, открывают новые
пути для воздействия на болезненные нарушения функций мозга.
Хансюргем МАТТИС (Matthies) (p.
1925) - немецкий (ГДР) нейрофизиолог, доктор медицины, профессор
фармакологии Магдебургской медицинской академии, действительный
член Академии наук ГДР, лауреат Национальной премии ГДР. В
1944-1951 с перерывами, вызванными войной, изучал медицину в
Вене, а также в Берлине, где проходил научную подготовку в
Фармакологическом институте Берлинского университета имени
Гумбольдта под руководством Ф. Юнга. В 1951-1957 занимался
преимущественно обменом веществ в эритроцитах, но уже тогда
начал исследовать обмен медиаторов и фармакологические влияния
на процессы обучения. Позднее углубился в нейрофизиологические и
нейробиологические исследования, в частности, в изучение
механизмов действия антидепрессантов и психостимуляторов.
Удостоен Национальной премии ГДР в 1968 и 1980. Избран
действительным членом Академии наук ГДР в 1973. С 1981 X. Маттис
- директор вновь организованного Института нейробиологии и
исследования мозга Академии наук ГДР. Основные усилия
руководимого им коллектива сконцентрированы на клеточных
механизмах формирования памяти и фармакологических влияниях на
процессы запоминания. Эти проблемы и механизмы так называемой
нейрональной пластичности -
главное направление исследований Института.. X. Маттис -
постоянный представитель ГДР и координатор темы "Механизмы
формирования памяти" в проблемной комиссии "Интермозг" академий
наук социалистических стран, член Международной организации по
изучению мозга (IBRO) при ЮНЕСКО, член-корреспондент Павловского
общества США
Размещение фотографий и
цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при
условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.
