Основы физиологии высшей нервной деятельности

Рис. 22. Посттетаническое временно́е облегчение проведения через звездчатый ганглий кошки (по М. Ларраби, Д. Бронк):

I — ортодромная стимуляция, II — антидромная стимуляция, объяснение см. в тексте

Несмотря на различия предположений о природе краткосрочной памяти, их объединяет рассмотрение механизма памяти как возникновения непродолжительных обратимых физико-химических свойств мембран и динамики медиаторов в синапсах, временно перестраивающих поведение нервных сетей. Эти изменения неизбежно связаны со сложной цепочкой далеко идущих, сравнительно более стойких перестроек метаболизма нервной клетки. Поэтому кратковременная память может оставлять более длительный скрытый след, основе которого в некоторых случаях она способна восстанавливаться после действия амнестического агента. Углубление и структурно-метаболическое закрепление этих следов, по-видимому, является механизмом перехода краткосрочной памяти в долгосрочную.

Долгосрочная память

В отличие от краткосрочной долгосрочная память хранит следы пережитых событий неопределенно долго. Собственно она и является носителем жизненного опыта животного; знаний, приобретенных человеком. О субстрате и способе закрепления долгосрочных памятных следов существуют разные мнения.

Долгосрочная память как возникновение новых межклеточных связей и улучшение проведения по уже существующим связям. Не вызывает сомнений, что в основе всякого обучения лежит процесс проторения путей возбуждения. Наглядной иллюстрацией того, что в результате обучения потоки нервных импульсов легче и быстрее преодолевают синаптическую задержку, может служить модельный опыт с тараканом: после ампутации передних лапок, которыми он чистит усики, таракан обучается пользоваться для этой цели задними лапками. При этом время синаптической задержки моторных импульсов к задним лапкам резко уменьшается (рис. 23).

Исследование динамики активности нейронов виноградной улитки при выработке оборонительного условного рефлекса показало, что повышение эффективности синапсов происходит на входах командных нейронов, реализующих защитные движения.

При выработке условного рефлекса постановки лапы кошки на подставку исследовали реакции ЭЭГ и нейронной активности в моторной коре. Наблюдаемое при этом их единообразие в случае применения различных по характеру и интенсивности условных раздражителей привело к заключению, что сигнал лишь запускает программу ответного двигательного акта. Это происходит, когда наступает повышение эффективности синапсов на входах нейронов — генераторов команд.

Рис. 23. Укорочение времени прохождения через метаторакальный ганглий таракана нервных импульсов, приводящих в движение его задние лапки, которыми он научился чистить усики после ампутации передних лапок (по Д. Люко, А. Аранда):

I — до ампутации, II —через 12 дней после ампутации, точки под записями — момент прихода импульсов к ганглию, двухфазные потенциалы зарегистрированы от эфферентных волокон данного ганглия

Давно высказанное предположение, что памятный след закрепляется «прорастанием» дополнительных нервных окончаний (Р. Кахал, 1911), позже получило новые подтверждения. Оказалось, что так называемые шипики, несущие синапсы на дендритах корковых клеток, появляются именно в возрасте, когда развивается условно-рефлекторная деятельность. Дополнительные указания на роль шипиков в мехаизмзах памяти дали эксперименты, показавшие интенсивное развитие их синаптического аппарата у животных в результате выработки условных рефлексов. К такому пониманию природы долгосрочной памяти приводит и концепция участия генетического аппарата в пластическом обеспечении функций нервных клеток, согласно которой их интенсивная деятельность при обучении вызывает усиление синтеза белка и процессов роста, в частности, образующих новые синаптические связи. Наконец, зависимость количества синапсов (по показателям электронной микроскопии) от интенсивности функционирования нервных механизмов продемонстрирована в экспериментах с повышением активности синапсов путем предъявления сложных задач или ее снижения путем сенсорной депривации.

По другим предположениям долгосрочная память реализуется облегчением передачи импульсов по существующим синапсам. Это может быть достигнуто стойкими изменениями структуры и свойств синапсов (табл. 3).

Эффективность передачи возбуждения в синапсах в значительной мере зависит от их функционального состояния, определяемого уровнем деятельности. Показано, что усиленное использование синапсов повышает их проходимость для импульсных потоков. При объяснении этого явления учитывается, что ничтожные просветы синаптических щелей соизмеримы с размерами макромолекул мембран, образующих их стенки. Поэтому многократная конвергенция импульсов условного и безусловного раздражителей на синапсах центрального нейрона, вызывая физико-химические изменения его мембран, может, в конечном итоге, сделать синаптическую щель более преодолеваемой.

Физико-химические изменения мембран, возникающие при стойком сдвиге их поляризации, могут служить основой для формирования памятных следов. Такие сдвиги поляризации вопроизведены в экспериментах с созданием зон повышенной возбудимости в коре при помощи постоянного тока и, видимо, имеют место в естественных условиях возникновения доминантных очагов. Опытным путем показано, что создаваемое в доминантном очаге коры состояние возбудимости подпорогового уровня под действием приходящего афферентного возбуждения может достичь порога проявления ответной реакции. Образуется суммационный рефлекс, который при закреплении следов проторения новых путей становится настоящим условным рефлексом. Характерная особенность такого рефлекса состоит в том, что по показателям нейронной активности он протекает в две фазы: торможения и последующей отдачи. Образование таких временных связей происходит преимущественно в нейронах нижних слоев коры.

Одним из механизмов повышения эффективности синапсов могут быть процессы, проявляющиеся в так называемой посттетанической потенциации (Д. Ллойд, 1949). После раздражения афферентных путей синаптическая проводимость мотонейронов спинного мозга остается повышенной в течение 7 мин. Раздражением гиппокампа удавалось продлить такое состояние до нескольких часов. Показано, что гиппокампальная посттетаническая потенциация сопровождается увеличением фокальных потенциалов и укорочением их латентного периода, особенно выраженных, если тетанизации подвергались структуры со свойствами самостимуляции.

Таблица 3. Возможные механизмы устойчивого повышения проводимости в синапсах (по С. Барондес в модификации И.П. Ашмарина)

1. Область изменений в синапсе

2. Состояние синаптической щели

3. Характер изменений

4. Молекулярный механизм

1. Пресинаптическая мембрана

2. Сужение

3. Разрастание нервных окончаний

4. Усиленный синтез белков при запоминании, в дальнейшем их обновление

1. —

2. Без изменения

3. Усиление синтеза и выхода медиатора

4. Дерегрессия части генов медиатора, повышение активности систем трансляции и РНК медиатора

Усиление синтеза медиатора и облегчение выхода из везикул

1. Постсинаптическая мембрана

2. Без изменений

3. Увеличение числа и чувствительности рецепторов

4. Усиленный синтез белков и липидов при запоминании, в дальнейшем их обновление

1. —

2. —

3. Повышение проницаемости и уменьшение скорости расщепления медиатора

4. Измерение соотношений скоростей синтеза компонентов или образование новых компонентов рецептора при запоминании, в дальнейшем поддержание новых отношений. Репрессия генов энзима, расщепляющего медиатор, дерепрессия генов ингибитора этого энзима

1. Локализация не установлена

2. Не известно

3. Повышение проводимости синапса за счет включения неизвестного вещества

4. Усиленный синтез веществ типа антител или других факторов межклеточного «узнавания» (например, полипептиды — коннекторы), при запоминании, в дальнейшем их обновление

Усиленный синтез некоторых антигенов компонента синапса, вызывающих образование соответствующих антител при запоминании, в дальнейшем их обновление

Анализ этих явлений нейронной активности при выработке локальной условной реакции вздрагивания приводит к выводу о том, что для синаптического проторения путей временной связи необходима кроме конвергенции сигнального и безусловного стимулов активация системы, вызывающей модификацию синапсов, что зависит от биологической значимости образования условной реакции. На изолированном нейроне виноградной улитки получены условные изменения свойств его электровозбудимой мембраны путем сочетания стимулов, приложенных к двум ее локусам, в результате чего между ними возникала временная связь.

При изучении возможных причин стойкого повышения синаптической передачи было обращено внимание на медиаторы возбуждения и прежде всего на ацетилхолин. Найдено, что обучение сопровождается повышением активности фермента холинэстеразы, разрушающей ацетилхолин, а вещества, подавляющие действие холинэстеразы, вызывают нарушения памяти. В опытах с обучением крыс доставать пищу из узкой трубки определенной передней конечностью активность холинэстеразы возрастала только в контралатеральном полушарии, что подтверждает ее значение в формировании памятных следов.

Сопоставление данных о взаимосвязанной динамике ацетилхолина и холинэстеразы привело к заключению, что повышенная проводимость может возникать и устойчиво поддерживаться некоторым равновесным отношением их синтеза. Избыточная активность холинэстеразы без возрастания количества ацетилхолина не позволяет ему достичь концентрации, необходимой для деполяризации постсинаптической мембраны синапса, а увеличение количества ацетилхолина при малой активности холинэстеразы приводит к глубокой неколеблющейся деполяризации — в обоих случаях проведение импульсов через синапс оказывается блокированным. Существует предположение, что ацетилхолин может транспортироваться через синаптическую щель по транссинаптическим тяжам, которые образуются из соединения белковых мицелл, формирующихся на поверхности пре- и постсинаптической мембран.

Кроме холинэргических имеются и иные синапсы, где медиаторами служат другие вещества. С учетом всех этих сведений была составлена обобщенная схема стойкого облегчения медиаторных процессов в синапсе. На рис. 24, А показано исходное состояние синапсов. Если возбуждение пресинаптического нейрона (рис. 24, Б) вызывает усиленное выделение медиатора, а возбуждение постсинаптического — разрушающего медиатор фермента (рис. 24, В), то при сочетаниях условного и безусловного раздражителей происходит конвергенция импульсных потоков на синапсах (рис. 24, Г), которая обусловливает оптимальный баланс активности медиатора и разрушающего его фермента на стабильном высоком уровне, а также активацию сети белковых тяжей, уменьшающих просвет синаптической щели (рис. 24, Д). Показано, что повышение эффективности синапсов сопровождается конформационными изменениями мембранных белков, специфичными для синаптических мембран.

Рис. 24. Развитие процессов стойкого облегчения проводимости сигнала (объяснение см. в тексте) (по В.В. Дергачеву):

кружками обозначены везикулы медиатора, треугольниками — фермент, расцепляющий медиатор

Долгосрочная память как стойкое изменение химизма нервных клеток. Проведение сигналов от клетки к клетке, вызывающее активацию нейронных популяций, происходит в синапсах, однако функциональное состояние синапсов и свойства их деятельности в значительной мере определяются процессами, происходящими в соме клетки, в ее нейроплазме и ядре. Общеизвестна роль сомы в трофическом обеспечении передачи импульсов по путям их проведения и зависимости функционирования нейрона от его метаболизма. Это послужило основанием для поисков долгосрочного памятного следа в стойких изменениях химизма нейроплазмы.

Так как основным субстратом функциональных структур нейрона являются белковые соединения, а их различные модификации задаются матрицами РНК, на которых они синтезируются, то была выдвинута гипотеза о том, что информация, входящая в долгосрочную память, «записывается» структурой полинуклеотидной цепи молекулы (X. Хиден, 1959). По этой гипотезе разные условные потоки импульсов создают различное распределение ионных концентраций вдоль молекулы РНК и вызывают специфические для каждого сигнала перемещения нуклеотидов в их цепи. В результате каждый сигнал получает определенный отпечаток в структуре молекулы РНК. Поскольку структура молекулы РНК является матрицей для синтеза белковых соединений, специфические белки и медиаторы могут синтезироваться лишь по тому сигналу, который сформировал эту матрицу своим импульсным потоком. Все возможные перестановки и комбинации нуклеотидных элементов позволяют зафиксировать в молекулах РНК громадное количество информации. По приблизительному подсчету их информационная емкость достигает 1015–1020 бит, что перекрывает объем человеческой памяти.

В качестве экспериментального подтверждения гипотезы о переопределении нуклеотидов в молекуле РНК как механизме формирования долгосрочной памяти могут служить результаты опытов с крысами, которые обучались добираться к пище, балансируя на проволочном мостике (табл. 4).

Таблица 4. Процентное содержание нуклеотидов в РНК ядра Дейтерса при выработке двигательного навыка у крыс (по X. Хидену, Е. Эльхази)

Как показывает табл. 4, у крыс, обучившихся сложным движениям, в нервных клетках ядра Дейтерса, ответственного за выполнение нового двигательного навыка, произошло изменение нуклеотидного состава РНК клеточного ядра. Увеличилась доля аденина, уменьшилась доля урацила. Простое вестибулярное раздражение не изменяло нуклеотидный состав. Исследование глиальных клеток ядра Дейтерса выявило сходные изменения РНК, что позволило сделать предположение об участии глии в кодировании поступающих сигналов путем изменения структуры нуклеотидных цепей РНК.

Однако гипотеза о нуклеотидном коде памятного следа встретилась со многими затруднениями, из которых главное — недолговечность молекул РНК. Выполняя информационные и транспортные функции, они могут сохранять свою структуру лишь в течение короткого времени, не соизмеримого с длительностью долгосрочной памяти. Эти и другие возражения ставят под сомнение РНК как носителя долгосрочного памятного следа, с чем, в сущности, согласился сам автор нуклеотидной гипотезы (X. Хиден, 1969).

В связи с этим внимание исследователей обратилось к более долговечным химическим компонентам структурно-функциональной организации нервной клетки. Памятный след стали искать в генетическом аппарате, который управляет деятельностью нервной клетки и определяет свойства на протяжении всей ее жизни. Наиболее стабильной структурой генетического аппарата являются молекулы ДНК, в которых кодируется наследственная информация. Логично было думать, что и информация, приобретаемая в течение жизни фиксируется этими структурами, специально приспособленными к хранению информационных программ. Поэтому были предприняты исследования ДНК как носителя долговременной памяти.

Анализ свойств ДНК и влияния ингибиторов ее синтеза на память привел к предположению, что формирование памятного следа связано с активацией определенных генов при деспирализации соответствующих участков цепи ДНК. Это происходит под влиянием ионных сдвигов, отражающих возбуждение нервной клетки при поступлении в нее сигналов.

На основании того, что снятие гистоновой блокады дерепрессирует гены, обусловливающие модификацию свойств клонов клеток была предложена нейроселективная теория долговременной памяти (В.В. Дергачев, 1967). Согласно этой теории при запоминании происходит селективная дерепрессия генов, реализующая определенную комбинацию из закодированных в геноме клонов нейроглиальных комплексов. В этих комплексах более лабильная функциональная ДНК программирует такое направление синтеза РНК и белков, которое определяет специфические свойства избирательной возбудимости нервных клеток. О значении ДНК в формировании долгосрочной памяти свидетельствуют опыты, показывающие нарушения памяти при действии ингибиторов синтеза рибонуклеиновых кислот даже в то время, когда синтез белков продолжался.

Электрофизиологические исследования механизмов привыкания нервных клеток к действию раздражителей привели к представлению, что памятный след отражает не столько временные, сколько пространственные характеристики сигналов. Он представляет собой не «паттерн импульсов», а «паттерн синапсов», кодирующих своим расположением и состоянием значение сигнала (Е.Н. Соколов, 1969). При этом медиаторы через рецепторы синаптических мембран вызывают активацию одних и инактивацию других оперонов молекулы ДНК. В результате формируется система обеспечения синтеза специфических белков, реализующих функцию «обученной нервной клетки (рис. 25).

Рис. 25. Участие функциональных структур генетического аппарата молекулы ДНК в долговременной памяти (по Е.Н. Соколову):

пунктиром обозначен участок молекулы ДНК; Эвм — электровозбудимая мембрана, Энм — электроневозбудимая мембрана

За последнее время получены новые доказательства участия ДНК в механизмах долговременной памяти. Показано, что при выработке условных рефлексов происходят своеобразные изменения структуры молекулы ДНК в нервных клетках мозга крыс. Эти изменения состояли в увеличении степени метилирования ДНК, повышающего активность определенных генов. Они были четко выражены в коре больших полушарий и гиппокампе и оказались незначительными в мозжечке. При такой «мягкой» обратимой модификации ДНК ее нуклеотидный состав оставался неизменным (табл. 5).

Таблица 5. Содержание нуклеотидов и метиловых компонентов в ДНК из разных отделов мозга у обученных и контрольных крыс (по Н.А. Тушмаловой)

Как уже было упомянуто, основные структуры нервной клетки, реализующие ее функции, состоят главным образом из белковых соединений. Поэтому многие исследователи ведут изучение белков как возможного субстрата долговременной памяти. Усиленный синтез белка при обучении дает основания для суждений о его роли в явлениях памяти. Чтобы выяснить, какие именно белки усиленно синтезируются для обеспечения процессов фиксации памятного следа, предпринималось изучение их раздельных фракций.

Исследование белков мозга голубей выявило, что при их обучении происходит возрастание фракции мембранных гликопротеидов, обозначенных 10B и 11A. Эти белки благодаря своим углеводным компонентам могут регулировать активность возбудимых мембран и таким образом участвовать в процессах памяти. При обучении крыс применять непредпочитаемую лапу для добывания пищи последующее дробное фракционирование мозговых белков показало особое положение встречающихся только в нервной ткани белков S-100 и 14-3-2. Конформационные изменения S-100 при связывании с ионами Ca влияют на проницаемость мембран, в частности синаптических, определяя их функциональное состояние.

Значение белков в механизмах формирования долгосрочной памяти продемонстрировано в опытах, где угнетение синтеза белка нарушало переход краткосрочной памяти в долгосрочную. Так, введение ингибитора белкового синтеза пуромицина золотым рыбкам сразу после обучения стирало его следы, но введение пуромицина через 1 ч не вызывало такого действия. Эти опыты были повторены и на других животных, показывая, что синтез белка необходим для консолидации памяти, а когда памятный след закреплен, белок уже не столь нужен.

Какие же именно белки разрушаются под действием ингибитора, препятствующего формированию долговременной памяти? Для ответа на этот вопрос исследовали разные фракции мембранных белков синаптического аппарата после нарушения долговременной памяти пуромицином. Показано, что этот ингибитор наиболее резко тормозит синтез кислых белков, к которым относится специфический для тканей мозга белок S-100. Оказалось также, что белки наиболее чувствительной к ингибитору фракции по своему аминокислотному составу принадлежат к группе внутренних белков мембраны, которые связаны с ее функциями как холинорецепторы. Это соответствует мнению, что носителями долгосрочной памяти являются холинэргические синапсы. Однако имеются указания на участие в механизмах долгосрочной памяти и адренэргической системы. Отмечено, что положительное подкрепление условных рефлексов, например пищевых, связано с функционированием преимущественно серотонинэргических, а отрицательное при оборонительных рефлексах — норадренэргических структур мозга. О возможных нейрохимических компонентах подкрепления существуют разные мнения: сюда относят и норадренэргическую систему, и дофаминэргическую. За последнее время накоплено большое количество фактов, показывающих, как участвуют нейрохимические механизмы в процессах обучения и памяти.