УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2008, том 39, № 4, с. 14-39
УДК 612.821.6+612.822.3+612.825.54+615.78
АНАЛИЗ НЕЙРОМЕДИАТОРНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ НЕЙРОНОВ ГОЛОВНОГО МОЗГА ПРИ ОБУЧЕНИИ: ВОЗБУЖДЕНИЕ, ТОРМОЖЕНИЕ, РАСТОРМАЖИВАНИЕ1
© 2008 г. Г. И. Шульгина
Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва
В работе проведен анализ нейрофизиологического и нейромедиаторного обеспечения системной организации нервных процессов при обучении, выделенных школой И.П. Павлова: возбуждения, торможения и растормаживания. Систематизация полученных результатов и данных литературы позволяет сделать следующие выводы. I. Выработка внутреннего торможения определяется относительным усилением тормозных гиперполяризационных процессов, которое проявляется в повышении амплитуды медленных колебаний потенциала и усилении фазной активности (чередования активации и торможения) нейронов коры головного мозга. Основным медиатором гиперполяризационного торможения в коре головного мозга при обучении является гамма-аминомасляная кислота (ГАМК). II. Подкрепляющий болевой стимул, а после ряда сочетаний и условный стимул - сигнал подкрепления вызывают в коре головного мозга активацию электроэнцефалограммы (ЭЭГ). На фоне активации ЭЭГ наблюдается переход нейронов коры головного мозга от хаотических или нерегулярных групповых разрядов к следующим формам активности: 1) учащение импульсации, 2) ослабление тормозных пауз и послетормозной активации, т.е. растормаживание, 3) тоническое торможение, 4) в гиппокампе и других структурах лимбической системы на фоне активации ЭЭГ появляются групповые разряды в ритме тета (5-7 с). III. В передаче "модально-специфических" влияний условного и безусловного раздражителей к нейронам новой коры основную роль играет глута-матергическая нейромедиаторная система, а в передаче "модально-неспецифических" влияний - хо-линергическая и другие системы. IV. В реализации внешнего торможения, вероятно, принимает участие тоническое торможение импульсации нейронов, возникающее на фоне активации ЭЭГ. V. Нейрофизиологические и нейромедиаторные основы растормаживания поведения предположительно могут иметь несколько причин: 1) простое превышение возбудительных влияний над тормозными, 2) "торможение торможения", 3) подавление торможения, вызванное деполяризацией ("depolarization induced suppression of inhibition" - DSI).
Ключевые слова: обучение, возбуждение, внутреннее торможение, внешнее торможение, растормаживание, нейротрансмиттеры, наркотики.
Работы школы И.П. Павлова на основе феноменологии поведения показали, что обучение и поведение животных и человека обеспечивают три основных нервных процесса в центральной нервной системе (ЦНС): возбуждение, торможение и растормаживание [23]. Детальный анализ нейрофизиологического и нейромедиаторного обеспечения реализации этих процессов необходим в свете решения задач как теоретического, так и сугубо прикладного характера. Павлов заложил фундамент для объективного исследования основ работы головного мозга человека и
1 Данная работа представляет собой обобщение результатов экспериментальных и теоретических исследований за период более 30 лет работы, проводимых автором в лабораториях академика М.Н. Ливанова (Лаборатория электрофизиологии условных рефлексов) и проф. Н.С. Косицына (Лаборатория ультраструктурных и цитохимических основ условного рефлекса).
животных при обучении в норме и при разного рода патологии как следствия изменения условий взаимодействия основных нервных процессов. В настоящее время показано, что такие распространенные нервные заболевания, как эпилепсия, шизофрения, разного рода психозы, обычно обусловлены нарушением условий взаимодействия основных нервных процессов, возбуждения и торможения [см. 13, 60, 72, 86, 98, 99 и др.]. Обеспечение реализации возбуждения на уровне работы отдельных нейронов в общих чертах было известно уже во времена И.П. Павлова, хотя, естественно, не так досконально, как в настоящее время. Нейрофизиологическое и нейромедиаторное обеспечение безусловного внешнего и выработанного внутреннего торможения и особенно растормаживания поведения было неизвестно в те времена и во многом остается неясным и до сих пор. Неясно также и обеспечение процессов,
определяющих изменения путей передачи возбуждения, системную организацию нейронов при возникновении новых форм поведения, активных и тормозных. Используемая нами методика экспериментов с параллельной регистрацией поведения, электроэнцефалограммы (ЭЭГ), вызванных потенциалов (ВП) и импульсной активности нейронов предоставляет возможность регистрировать возбуждение, торможение и растормажива-ние как на уровне поведения, так и на уровне биоэлектрической активности структур головного мозга [37-40, 48, 119]. Системная организация нейронов ЦНС при обучении и выполнении разных форм поведения включает в той или иной степени все эти три процесса. Проведенные нами нейрофизиологические исследования и их анализ в свете современных данных литературы показали следующее. Ориентировочный рефлекс на новый стимул реализуется на фоне активации ЭЭГ. Угашение ориентировочного рефлекса (согласно более употребительной в настоящее время терминологии в англоязычной периодике - выработка "латентного торможения") сопровождается относительным усилением гиперполяризационного торможения в нейронах коры головного мозга, что при экстраклеточном отведении отражается в усилении медленных колебаний потенциала, фоновых и поздних компонентов вызванных, и в усилении соответствующей им фазной активности нейронов, чередования активации и торможения импульсации. Подкрепляющий стимул (в наших опытах электрокожное раздражение задней конечности - ЭКР), напротив, вызывает в коре головного мозга относительное усиление возбудительных деполяризационных процессов, что отражается в активации ЭЭГ в виде снижения амплитуды медленных колебаний потенциала и, в структурах лимбической системы, в выявлении ритма тета (полоса 5-7 Гц). В литературе его называют "стресс-ритм" или ритм напряжения. На фоне активации ЭЭГ в ответ на подкрепление у одних нейронов коры наблюдается повышение частоты и степени упорядоченности - снижение неопределенности в распределении потенциалов действия во времени за счет ослабления тормозных пауз и послетормозной активации, у других -длительное тоническое торможение импульса-ции. В гиппокампе и во взаимосвязанных с ним структурах лимбической системы кроме этих форм активности у значительной части нейронов при действии нового или биологически значимого стимула имеет место появление групповых разрядов в ритме тета. Тормозящее действие ЭКР проявляется не только в тоническом торможении фоновой импульсации некоторой части нейронов коры, но и в притормаживании ранних и поздних возбудительных компонентов ответов нейронов зрительной коры на условный стимул - вспышки света при их совместном действии с ЭКР. Подоб-
ное явление мы наблюдали и вне ситуации обучения [53]. В этих опытах было показано, что при совместном действии модально-специфической афферентации (зрительная область: вспышки света или стимуляция наружного коленчатого тела - НКТ) с модально-неспецифической (генерализованные влияния ЭКР или стимуляция ретикулярной формации - РФ) происходит, с одной стороны, растормаживание импульсации нейронов коры, ослабление тормозных пауз в реакциях на модально-специфические стимулы, а с другой -притормаживание ответов, снижение амплитуды первичных и последующих активационных компонентов реакции на совместно действующие раздражители.
В процессе выработки оборонительного условного рефлекса после нескольких сочетаний в структурах головного мозга на действие условного стимула формируется новая функциональная система нейронов по составу нейронов и компонентам их реакций сходная, но не тождественная с функциональной системой, реализующей ответ на подкрепление. Включение условного стимула (звук, вспышки света) начинает имитировать действие подкрепления. При этом в соответствии с тем, какой была реакция на совместное действие УС с подкреплением, в процессе системных перестроек при обучении у одних нейронов в ответ на стимул, становящийся сигналом оборонительного рефлекса, возникает учащение импульсации и/или ее растормаживание, у других - длительное тоническое торможение, а в гиппокампе у ряда нейронов наблюдается возникновение групповых разрядов в ритме тета (рис. 1). Основное различие двух функциональных систем нейронов, реализующих ответ на условный стимул и на подкрепление, заключалось в том, что коротколатентные стабильные ответы на подкрепление в его корковом представительстве, в сенсомоторной коре, не имитировались действием УС. Это явление, очевидно, соответствует тому факту, что условный стимул - это сигнал возможных изменений во внешней или внутренней среде, не идентичный самим изменениям.
Выработка всех видов внутреннего торможения в наших опытах сопровождалась относительным усилением тормозных гиперполяризационных процессов в коре головного мозга. Как и при угашении ориентировочного рефлекса, это проявлялось в повышении амплитуды суммарных медленных колебаний потенциала, фоновых и поздних компонентов ВП, и в усилении соответствующей им фазности, чередования активации и торможения импульсации в работе нейронов.
Предложенная нами методика одновременной регистрации таких показателей работы головного мозга, как поведение, активность отдельных нервных элементов и суммарных медленных по-
tl "ti1" т
^ 1250 л
4
щ II Ц Щ IM 'ф I "" I I Ii ^iJ I IL 41 -Ii Ii Iii........Iii........i.il li.llihM Li, i III 1,111
5
4
Ulli Uli_Ii I M im
illun tu um 1 i mu ni mim...... n. Iii n
5
6 I '-'
A ▲ A ▲
Рис. 1. Суммарные медленные биопотенциалы и активность нейронов гиппокампа при выработке и угашении оборонительного условного рефлекса. 1 - миограмма задней конечности, на которую наносили ЭКР; 2 - дыхание; 3 - запись суммарных медленных биопотенциалов гиппокампа; 4 - активность нейронов гиппокампа; 5 - биопотенциалы сенсо-моторной области новой коры; 6 - биопотенциалы зрительной области новой коры. I - 44-е сочетани
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.