Физиологические механизмы образования рефлексов. Их структурно-функциональная основа. Развитие представлений И.П.Павлова о механизмах формирования временных связей.

Любой условный рефлекс начинается с конвергенции гетеросенсорних стимулов (условных и безусловных), а также облегчение (потенциации) и реверберации возбуждения в нервных сетях.

В процессе формирования условного рефлекса направление движения нервных процессов в коре большого мозга определяется механизмом и свойствами доминанты. Очаг возбуждения, возникающий в коре большого мозга от условного стимула, может иррадиировать в сторону. Однако при наличии доминантного очага возбуждения, вызванного подкреплением, иррадиация будет направляться в его сторону. Таким образом, доминанта обеспечивает генерализацию условного рефлекса, поисковую фазу поведения. Наличие доминанты является условием быстрого выработки условного рефлекса.

Клеточные механизмы образования условного рефлекса. Существуют две гипотезы выработки условного рефлекса синаптическая и мембранная. Согласно первой гипотезе, механизм формирования условного рефлекса является изменение эффективности синапсов. Сторонники второй гипотезы считают, что основным механизмом условного рефлекса является изменение свойств возбудимой постсинаптической мембраны. Использование внутриклеточной регистрации постсинаптических потенциалов позволило сделать вывод об определяющей роли синаптических изменений в образовании временной связи. Исследование реакции нейронов головного мозга при формировании условного рефлекса показали, что существенные изменения характерны для корковых полисенсорных нейронов. Если до первого сочетания стимула с подкрепляя рефлексом нейроны были преимущественно моносенсорнимы, то по мере дальнейшего совмещения они приобретают способность отвечать на стимулы различных сенсорных модальностей и параметров, т.е. становятся полисенсорных. При достаточно устойчивом условном рефлексе ответы нейронов вновь приобретают моносенсорного характера, но теперь это выборочная реакция - только на тот стимул, который приобрел сигнального значения для поведенческого акта. В формировании условных рефлексов участвует два класса интернейронов: командные нейроны, которые реализуют специфические поведенческие акты, и модулирующие, регулирующие состояние командных нейронов.

В последнее время высказывают предположения о механизмах замыкания временной связи на молекулярном уровне, а также о новых синапсов или их рост в процессе выработки условных рефлексов (обучение). Полагают, что под воздействием внешнего сигнала в РНК создается определенный код, и до этого индифферентный (условный) раздражитель приобретает сигнального значения. В случае длительного, часто повторяющегося воздействия внешнего раздражителя под действием активизации аппарата синтеза нуклеиновых кислот и белков в нейронах возникают новые синаптические связи и даже происходит рост нейрона и его отростков. Ходе этого процесса в сравнительно короткие интервалы времени может способствовать транспорт готовых нуклеотидов и нужных ферментов из нейроглии в нейрон, который функционирует.

Процесс образования временных связей зависит также от активности катехоламинергическую и серотонинергических систем мозга. Считают, что норадренергические системы в большей степени причастны к формированию временных связей, а серотонинергические - к фиксации.

Наибольшее значение для обучения имеют фронтальная и сенсорная кора и гиппокамп. В этих отделах мозга изменяется импульсная активность нейронов уже при первых сочетаниях условного раздражителя и поведенческой двигательной реакции. Так, реакции нейронов сенсомоторной коры (снижение сопротивления мембраны и увеличение возбудимости клетки) предшествовали появлению первых условнорефлекторных движений и исчезали в случае их отсутствия. Таким образом, первоначально возникшие функциональные изменения, которые выражаются преимущественно в активизации нейромедиаторных систем и аппарата синтеза белка, затем приобретают структурных изменений и становятся основой длительных связей, характерных для условного рефлекса. Проблема замыкания условнорефлекторной временной связи является частично общей проблемой формирования памяти. Для образования условного рефлекса необходимо соблюдение следующих правил: 1) индифферентный раздражитель (который должен стать условным, сигнальным) должен иметь достаточную силу для возбуждения определенных рецепторов; 2) необходимо, чтобы индифферентный раздражитель подкреплялся безусловным стимулом, причем индифферентный раздражитель должен либо несколько предшествовать, либо предъявляться одновременно с безусловным; 3) необходимо, чтобы раздражитель, используемый в качестве условного, был слабее безусловного. Для выработки условного рефлекса необходимо также нормальное физиологическое состояние корковых и подкорковых структур, образующих центральное представительство соответствующего условного и безусловного стимулов, отсутствие сильных посторонних раздражителей, отсутствие значительных патологических процессов в организме.

При соблюдении указанных условий практически на любой стимул можно выработать условный рефлекс.

И. П. Павлов — автор учения об условных рефлексах как основе высшей нервной деятельности первоначально предполагал, что условный рефлекс образуется на уровне кора — подкорковые образования (временная связь замыкается между корковыми нейронами в зоне представительства индифферентного условного стимула и подкорковыми нервными клетками, составляющими центральное представительство безусловного раздражителя). В более поздних работах И. П. Павлов образование условно-рефлекторной связи объяснял образованием связи на уровне корковых зон представительства условного и безусловного стимулов.

Последующие нейрофизиологические исследования привели к разработке, экспериментальному и теоретическому обоснованию нескольких различных гипотез об образовании условного рефлекса (рис. 15.2). Данные современной нейрофизиологии указывают на возможность разных уровней замыкания, формирования условно-рефлекторной связи (кора — кора, кора — подкорковые образования, подкорковые образования — подкорковые образования) при доминирующей роли в этом процессе корковых структур. Очевидно, физиологический механизм образования условного рефлекса представляет собой сложную динамическую организацию корковых и подкорковых структур мозга (Л. Г. Воронин, Э. А. Асратян, П. К. Анохин, А. Б. Коган).

Несмотря на определенные индивидуальные различия, условные рефлексы характеризуются следующими общими свойствами (признаками):

1. Все условные рефлексы представляют собой одну из форм приспособительных реакций организма к меняющимся условиям среды.

2. Условные рефлексы относятся к категории приобретаемых в ходе индивидуальной жизни рефлекторных реакций и отличаются индивидуальной специфичностью.

3. Все виды условно-рефлекторной деятельности носят сигнальный предупредительный характер.

4. Условно-рефлекторные реакции образуются на базе безусловных рефлексов; без подкрепления условные рефлексы со временем ослабляются, подавляются

Физиологическую основу условного рефлекса составляет процесс замыкания временной связи. Временная (условная) связь - это совокупность нейрофизиологических, биохимических и ультраструктурных изменений мозга, возникающих в процессе сочетания условного и безусловного раздражителей и формирующих определенные взаимоотношения между различными мозговыми образованиями. Механизм памяти фиксирует эти взаимоотношения, обеспечивая их удержание и воспроизведение. В зоне коркового представительства условного стимула и коркового (или подкоркового) представительства безусловного стимула формируются два очага возбуждения. Очаг возбуждения, вызванный безусловным стимулом внешней или внутренней среды организма, как более сильный (доминантный) притягивает к себе возбуждение из очага более слабого возбуждения, вызванного условным стимулом. После нескольких повторных предъявлений условного и безусловного раздражителей между этими двумя зонами «проторяется» устойчивый путь движения возбуждения: от очага, вызванного условным стимулом, к очагу, вызванному безусловным стимулом. В результате изолированное предъявление только условного стимула теперь приводит к реакции, вызываемой ранее безусловным стимулом. В качестве главных клеточных элементов центрального механизма образования условного рефлекса выступают вставочные и ассоциативные нейроны коры большого мозга. Корковый пункт условного раздражителя в принципе имеет такую же структуру, как корковое представительство безусловного рефлекса, так как условный раздражитель сам по себе вызывает соответствующую безусловно-рефлекторную реакцию, особенно, если в качестве условного раздражителя взять какой-нибудь механический, электрический или химический раздражитель. Поэтому при сочетании условного и безусловного раздражителей временная связь по существу замыкается между корковыми представительствами двух безусловных рефлексов, т.е. между нейронами корковых ветвей их рефлекторных дуг. Следовательно, процесс образования условного рефлекса можно рассматривать как корковый синтез двух (или нескольких) безусловных рефлексов. Такое представление о месте и характере замыкания временной связи подтверждается экспериментальными исследованиями Э.А. Асратяна. Если подобрать два безусловных раздражителя примерно одинаково физиологической силы, например, пищевой и оборонительный, а затем сочетать их строго попеременно (то в одной, то в обратной последовательности), то образуется условный рефлекс в необычной форме. Каждый из безусловных раздражителей будет вызывать как двигательную, так и секреторную реакцию. Электрокожное раздражение становится сигналом пищи, а пища - сигналом электрокожного раздражения. Следовательно временные связи могут быть двусторонними. Физиологические механизмы замыкания временной связи. Образование временной связи, по Павлову, является результатом взаимодействия двух одновременно возбуждаемых пунктов коры. Наличие двух очагов возбуждения в коре закономерно вызовет движение процесса возбуждения от более слабого (вызванного индифферентным раздражителем) к более сильному (вызванному безусловным раздражителем). Таким образом, в основе механизма замыкания временной связи Павлов усматривал явление типа проторения пути, суммационного рефлекса, доминанты.

Клеточные механизмы замыкания временной связи. В основе механизмов формирования ассоциативной связи лежит принцип конвергентного замыкания. Идея о конвергенции гетерогенных стимулов как принципе установления условного рефлекса была выдвинута Дж. Экклзом (1968). Он предположил существование центра конвергенции, который не имеет определенной локализации. На нейронах, входящих в состав этого центра, встречаются условный и безусловный сигналы. При этом происходит формирование пространственно-временной структуры возбуждения, которая затем передается в нейроны нижеследующего уровня.

Сохранив принцип конвергенции стимулов гетерогенных модальностей как исходный механизм взаимодействия и интеграции, П.К. Анохин (1968, 1974) дополнил концепцию представление о том, что взаимодействие сигналов различных сенсорных и биологических модальностей происходит на одном нейроне (рис. 4). Особые свойства подкрепляющего фактора определяются специфическими химическими реакциями, которые он вызывает, и соответствующими молекулярными преобразованиями в пределах мембраны и цитоплазмы нейрона. Здесь происходит ассоциация эффектов условной и безусловной стимуляции с последующими выходами сложившейся интеграции на аксон в виде клеточного разряда. Данная теоретическая концепция является основой для проведения исследований механизмов формирования ассоциативного обучения на одном нейроне.

Микроэлектродные исследования показали, что формирование ассоциативных связей происходит на всех уровнях мозга млекопитающих. Исследованы нейроны коры, ретикулярной формации, лимбических структур, стриопаллидарной системы, гипоталамуса. Показано, что до 60% нейронов различных корковых и подкорковых структур мозга способны формировать условные ответы на ранее неэффективные стимулы.

Внутриклеточные механизмы ассоциативного обучения. Опыты с ассоциативным обучением изолированных нейронов показали, что около 15% из них обучаются в процессе предъявления сочетаний. и около 80% - демонстрировали феномен отсроченного обучения, когда реакция на условный сигнал появлялась не сразу, а через какое-то время. Независимо от вида ассоциируемых стимулов и от особенностей предъявления сочетаний, каждый конкретный нейрон всегда обучается по одному и тому же способу – или во время обучения, или отсроченно. Это качество является его индивидуальной характеристикой. В основе этого феномена лежат особенности внутриклеточных процессов, опосредующих ассоциативное обучение, и эти процессы различны по скорости их развития.

Эффективность входа в нейрон может меняться под влиянием разной степени эффективности последующих возбуждений, поступающих по другим входам в этот же нейрон. С этой точки зрения особый интерес представляют командные нейроны, рецептивное поле которых состоит из широкой пластичной зоны и узкой области высоко стабильных реакций. При повторении стимула на пластичную зону рецептивного поля реакция угасает. При нанесении стимула на зону стабильных реакций ответы нейрона устойчиво сохраняются. При комбинации раздражений малоэффективной зоны с раздражениями области эффекторных реакций ответы со слабо эффективной зоны усиливаются. В пределах одного нейрона неэффективный вход может стать эффективным при сочетании его возбуждения с возбуждением высокоэффективного входа. С этой точки зрения формирование временной связи возможно в отдельном нейроне.