научная статья по теме СЕТЕВЫЕ, КЛЕТОЧНЫЕ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПЛАСТИЧНОСТИ В ПРОСТЫХ НЕРВНЫХ СИСТЕМАХ Биология

Текст научной статьи на тему «СЕТЕВЫЕ, КЛЕТОЧНЫЕ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПЛАСТИЧНОСТИ В ПРОСТЫХ НЕРВНЫХ СИСТЕМАХ»

УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2011, том 42, № 4, с. 3-19

УДК 612.821.6

СЕТЕВЫЕ, КЛЕТОЧНЫЕ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПЛАСТИЧНОСТИ В ПРОСТЫХ НЕРВНЫХ СИСТЕМАХ

П. М. Балабан, Т. А. Коршунова

Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, balaban@ihna.msk.ru

В настоящей работе на основе собственных экспериментальных исследований клеточных механизмов обучения в нервной системе брюхоногих моллюсков и литературных данных обосновывается несколько принципов работы нервной системы, важных для описания механизмов обучения и памяти:

основные пластические изменения при обучении происходят как на уровне синаптических входов интернейронов, так и на уровне долговременных изменений трансмембранных токов в теле и отростках нейронов;

в результате обучения пластические процессы могут происходить как в пресинаптической тер-минали, так и в постсинапсе, однако стадия индукции долговременных процессов специфична для постсинапса, показано также хранение долговременных изменений в постсинапсе;

подкрепление не связано с активностью нейронов рефлекторной цепочки рецептор-сенсорный нейрон-интернейрон-мотонейрон-эффектор, а опосредуется модуляторными нейронами, находящимися вне этой цепочки и может в некоторых простейших случаях осуществляться одним нейроном;

активность модуляторных нейронов необходима для выработки пластических модификаций оборонительного поведения (включая ассоциативные), однако не нужна для воспроизведения выработанных ответов на условный стимул. В то же время модуляторные нейроны (составляющие нейронную систему подкрепления) необходимы для воспроизведения обстановочных ассоциативных ответов;

изменения в результате обучения происходят как минимум в двух независимых локусах нервной системы;

высказывается гипотеза о возможности стирания памяти с участием оксида ахота. Ключевые слова: обучение, память, моллюски, нейроны, синаптическая связь.

Одной из основных причин проведения исследований механизмов обучения и памяти на беспозвоночных животных, обладающих достаточно просто устроенной нервной системой и относительно простым поведением, является возможность изучения процессов пластичности в идентифицированных нейронах, т.е. в функционально одинаковых у всех особей данного вида индивидуально описанных нервных клетках. Это дает возможность не только изучить входные и выходные характеристики этих клеток, но и фактически работать с одними и теми же синапти-ческими связями (идентифицированный синапс), варьируя условия эксперимента. В настоящем обзоре сделана попытка проанализировать на основе собственных и литературных данных современное состояние проблемы клеточных механизмов ассоциативной памяти в простых нервных системах.

РЕДУКЦИОНИСТСКИЙ АНАЛИЗ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ПОВЕДЕНИЕ

При исследовании механизмов таких сложных явлений, присущих целому организму, как обучение и память, одним из основных подходов является прослеживание всей цепочки: от поведения, через анализ лежащих в основе поведения нервных сетей до отдельных нейронов и их синапти-ческих взаимодействий. В настоящее время такой последовательный редукционистский анализ без существенных пробелов доступен только на животных с просто устроенными нервными системами. Однако при выборе объекта исследования существенным является возможность пластических модификаций различных форм поведения животного. В литературе примерно с середины 70-х гг. прошлого века достаточно надежно по-

казана способность к ассоциативной форме пластичности поведения у брюхоногих моллюсков, включая виноградную улитку Helix [5, 6, 12, 26, 48, 60, 73]. Показана возможность выработки не только простых условных рефлексов, но и цепных условных рефлексов, обстановочного рефлекса и даже возможность самостимуляции у этих животных [4, 6, 17].

Поведенческий репертуар наземных легочных моллюсков включает хорошо описанные пищевое, половое, оборонительное и ориентировочно-исследовательское поведения. Наиболее удобно для экспериментального изучения оборонительное поведение, которое сохраняется на препарате, что дает возможность внутриклеточного отведения от индивидуально идентифицируемых нейронов с известной функцией в поведении.

Возникает вопрос, как организована нейронная сеть, действительно ли главнее для выполнения основной функции мозга - управление поведением животного - тот нейрон, который дает информацию следующим в цепочке? Представим себе упрощенную нервную цепочку, состоящую из рецептора (непосредственно воспринимающего информацию из внешней среды), подчиненного ему сенсорного нейрона, еще нескольких последовательно соединенных нервных клеток и выходных элементов нервной системы - моторных нейронов (непосредственно управляющих мышцами). По самой простой логике главным является первый элемент в цепочке, посылающий команды остальным, т.е. рецепторная клетка. Но каждый акт поведения (а в данный момент времени может быть реализован только один поведенческий акт, как это хорошо известно физиологам) может быть вызван самыми различными внешними стимулами (свет, звук, запах), да и реакция может не наблюдаться по самым разным причинам. Например, по цепочке уже идет другая информация, силы стимула недостаточно и т.д. В целом ряде работ на беспозвоночных животных (раках, улитках), мозг которых включает всего несколько тысяч нейронов, было убедительно показано, что в подобной цепочке есть "командные" звенья, которые на основе поступающей к ним информации принимают решение о запуске поведенческого акта. Упрощенная схема организации поведенческого акта выглядит как воронка сходящейся информации к командному элементу, который жестко контролирует подчиненные ему элементы моторной программы поведения.

Рассмотрим организацию сети нейронов, обеспечивающей простейший поведенческий акт на

примере реакции отдергивания щупалец у виноградной улитки.

Оборонительные реакции виноградной улитки, как и у других животных, опосредуются сенсорными нейронами, интернейронами и мотонейронами. Существенно для анализа то, что непосредственно от первично сенсорных нейронов информация о тактильном раздражении (наиболее часто используемом в экспериментах на моллюсках) поступает напрямую к мотонейронам и параллельно ко многим нейронным системам, в том числе к премоторным интернейронам, способным запускать оборонительные реакции [4]. У многих животных описаны "командные" интернейроны, опосредующие сенсорную информацию, необходимые и достаточные для запуска определенного поведенческого акта. У моллюсков такие нейроны описаны для оборонительных реакций отдергивания щупалец, втягивания тела в раковину (обзор см. [13]). В нервной системе виноградной улитки были детально описаны 9 идентифицируемых командных нейронов [3, 11] со следующими свойствами: 1) внутриклеточно вызванный спайковый разряд этих клеток вызывает координированные оборонительные реакции, специфические для каждой клетки, и реакцию в мотонейронах; 2) спайковый ответ на любой стимул, вызывающий оборонительные реакции, регистрируется в этих клетках до или во время эффекторной реакции; 3) первично-сенсорные механорецептивные нейроны моносинаптически связаны с командными нейронами; 4) мультимо-дальная сенсорная информация конвергирует к этим клеткам; 5) внутриклеточная гиперполяризация одного из командных нейронов приводит к выпадению элемента оборонительного поведения, запускаемого этим нейроном.

Кроме нейронов "прямой" рефлекторной цепочки (от рецепторов к эффекторам) у улитки описаны нейроны, активация которых не нужна для реализации поведенческого ответа. Однако тоническая активность этих нейронов модулирует не только ответы командных нейронов оборонительного поведения, но и их фоновую активность [76]. Иными словами, частота спонтанной активности данных нейронов (выделяющих серотонин в околоклеточное пространство) модулирует величину реакции и возбудимость нейронов рефлекторной дуги оборонительного рефлекса, тем самым определяя уровень готовности сети, обеспечивающей оборонительное поведение. Было показано, что снижение содержания серотонина в нервной системе зрелых улиток при введении избирательного нейротоксина 5.6-диокситрипт-амина (нарушающего работу только серотони-

нергической системы) приводит к изменениям динамики оборонительных реакций на поведенческом уровне и на уровне спайковых реакций командных нейронов при ритмическом раздражении нервов, причем оказалось невозможным вызвать сенситизацию - важнейший компонент пластической перестройки поведения. Активация изученной группы серотонинергических модуляторных нейронов позволяет смоделировать эффекты, вызываемые в командных нейронах при оборонительном подкреплении. Активация индивидуальных представителей этой группы нейронов, расположенных в педальных ганглиях, не вызывала непосредственно поведенческих эффектов, но приводила к достоверной фасилитации синаптического входа и возбудимости командных нейронов оборонительного поведения, примерно так же, как и сенситизирующие стимулы. Это позволяет считать данные серотонинергические нейроны педальных ганглиев модуляторными для оборонительного поведения улитки. Потенциально они могут быть активированы раздражением любого участка кожной поверхности, но только сильным стимулом, который вызывает сенситизацию. Известно, что только часть нейронов этой группы (компактно располагающейся в ростральной части педального ганглия) отвечает на стимуляцию данного конкретного участка кожи, но существующая между серотонинергиче-скими нейронами система связей, включая электрические, позволяет им работать всей группой фактически при любой модальности опасного для животного стимула.

Существенно отметить, что характерной особенностью модуляторных нейронов является наличие фоновой активности, частота которой меняется при нанесении адекватных стимулов, причем в ответ на стимул длительностью всего 0.2 с частота меняется на минуты. Тонический характер ответа нейронов описываемой группы на фазический стимул вполне соответствует их роли как модуляторного центра оборонительного поведения. Наличие положительной обратной связи внутри группы серотонинергических нейронов поз

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.

Показать целиком