Простые формы научения и их нейронная основа
Нейрофизиологам сейчас известны три типа простого научения: 1) привыкание, или габитуация, 2) сенситизация и 3) классическое, или павловское, обусловливание. Эти типы научения называют «простыми», чтобы отличать их от таких видов человеческого научения, которые носят произвольный характер и требуют, например, образования понятий или использования навыков классификации. Простые формы научения не связаны с осознанием изменений в поведении. К этим элементарным формам способно большинство животных, в том числе и те, у которых вместо мозга имеются только нервные ганглии.
Привыкание и сенситизация
Привыкание имеет место тогда, когда раздражитель, на который организм первоначально реагировал, начинает действовать так часто, что организм перестает на него отвечать. Сенситизация — это процесс, противоположный привыканию; здесь животное начинает энергично реагировать на ранее нейтральный раздражитель. Как привыкание, так и сенситизация имеют большое значение для выживания. При сенситизации животное обычно воспринимает некий угрожающий или раздражающий сигнал, учится распознавать его как признак опасности и поэтому пытается избегать его. В случае привыкания стимул, который первоначально вызывал реакцию, перестает действовать, когда выясняется, что он не связан с опасностью. Животное учится игнорировать этот стимул, чтобы без помех реагировать на другие раздражители. (Так как привыкание и сенситизация — это взаимосвязанные процессы, мы рассмотрим подробно только первый из них.)
Взрослые люди постоянно проявляют способность к привыканию. Предположим, вы приехали из провинциального городка навестить друзей, которые живут, скажем, в Манхэттене. Шум интенсивного уличного движения за окном всю ночь не дает вам уснуть. Если вы спросите хозяев, как же им удается спать при таком шуме, они скорее всего ответят: «Какой шум? Я вообще его не слышу». Они просто привыкли к нему. (В главе 3 мы называли этот процесс «сенсорной адаптацией».)
Даже новорожденные дети уже способны к привыканию. Исследуя слуховое восприятие у грудных детей, экспериментаторы прикрепляли к соске младенца, родившегося четыре часа назад, регистрирующее устройство и издавали с помощью инструмента музыкальный тон, который повторяли четыре раза подряд. При первом предъявлении ребенок, очевидно, услышал эту группу звуков и перестал сосать (рис. 120). Однако после неоднократного повторения той же группы звуков он возобновил сосание. Но когда высоту тона чуть-чуть изменили, младенец опять перестал сосать и прислушался. Это пробуждение интереса свидетельствует, что младенец действительно привык к первоначальному тону. Был установлен и другой, не менее интересный факт: слух новорожденных детей оказался удивительно тонким.
Рис. 120. Запись движений младенца всего лишь четырех часов от роду при сосании пустышки. При первом звучании музыкального тона младенец перестает сосать, но после 9-10 кратного повторения этого стимула привыкает к нему и уже не реагирует на него. При звучании тона иной высоты сосание вновь прекращается. (Bronshtein, Petrova, 1967.)
Какие изменения в мозгу могут быть ответственны за процесс привыкания? Ответить на этот вопрос в отношении человеческого мозга пока невозможно, но исследования Эрика Кэндела и его коллег, проведенные на морском брюхоногом моллюске Aplysia calfornica, показали, что привыкание действительно сопровождается изменениями на клеточном уровне. Нервная система аплизии состоит примерно из 18 тысяч нейронов, причем некоторые из них настолько крупны, что их можно видеть невооруженным глазом.
У аплизии есть одна форма рефлекторного поведения, необходимая для выживания: это рефлекс втягивания жабры (рис. 121). Когда море спокойно, аплизия расправляет жабру, чтобы дышать. В неспокойной воде или тогда, когда ее сифона касается плавающий предмет или же экспериментатор в лабораторных условиях направляет на моллюска струю воды, он втягивает жабру для защиты ее от повреждения. Этот рефлекс контролируется одним ганглием, содержащим 6 мотонейронов и 24 сенсорных нейрона, причем последние образуют с первыми прямые связи через возбуждающие синапсы и непрямые — через интернейроны.
Рис. 121. После кратковременной стимуляции аплизия в норме втягивает жабру, сжимая ее до размеров, показанных на рисунке синим цветом. Длительная стимуляция может привести к привыканию, в результате чего реакция ослабевает или вообще прекращается. (Kandel, 1979.)
В процессе обучения после повторной стимуляции аплизия втягивала жабру менее энергично или вообще не втягивала ее. После десяти стимуляций продолжительность привыкания увеличивалась до несольких часов. Исследователи установили, что этот кратковременный эффект зависит от изменения в синапсах между сенсорными и моторными нейронами: по мере продолжения стимуляции сенсорные нейроны выделяют все меньше нейромедиатора в синапсах для активации двигательных нейронов. В результате последние возбуждаются все слабее и слабее, и реакция, которую они вызывают, — втягивание жабры — осуществляется менее энергично. Таким образом, у аплизии кратковременное привыкание происходит тогда, когда возбуждение в синапсах существующих нервных путей уменьшается. Без стимуляции количество медиатора через несколько часов вновь становится нормальным, и рефлекс втягивания жабры достигает прежнего уровня.
Привыкание и сенситизация — это простейшие формы научения, при которых организм не нуждается в создании новой ассоциации между событиями или раздражителями. В отличие от этого при классическом обусловливании у животного должна создаваться такая ассоциация.
Классические условные рефлексы
В начале нашего столетия И. П. Павлов поставил ряд экспериментов, которые привели к представлению об условнорефлекторной деятельности. Изучая пищеварительную систему собак, он обнаружил, что животные начинают выделять слюну задолго до получения пищи — при одном только виде одетого в белый халат служителя, который обычно ее приносит. Продолжив эксперименты, Павлов открыл, что звук звонка или вспышка света, предшествующие появлению пищи, тоже могут вызывать у собак слюноотделение.
Рис. 122. Один из экспериментов И. П. Павлова. Собака снабжена приспособлением, служащим для сбора желудочного сока.
Таким образом, выработка условного рефлекса («классическое» обусловливание) происходит тогда, когда стимул, вызывающий в естественных условиях определенную реакцию (например, пища), несколько раз сочетается с каким-нибудь другим, ранее нейтральным стимулом (например, звонком). После этого нейтральный стимул начинает вызывать ту же реакцию. Для образования условнорефлекторной связи оба раздражителя должны по времени очень близко соседствовать друг с другом, и звук звонка должен предшествовать появлению пищи. В нашем примере пищу называют безусловным стимулом (БС), а звонок — первоначально нейтральный раздражитель — условным стимулом (УС). Выделение слюны при получении пищи — это безусловный рефлекс (БР), а при звуке звонка — условный рефлекс (УР). (Сам Павлов определял безусловный стимул как раздражитель, действующий без всяких условий, а условный — как такой, для действия которого обязательно требуется сочетание его с безусловным раздражителем.) Другими словами, животное устанавливает связь между условным и безусловным стимулами (звонком и пищей), так что его поведение в ответ на прежде нейтральный стимул (звонок) изменяется. У кошки, которая прибегает на кухню при звуках консервного ножа, открывающего банку, образовался условный рефлекс, связывающий эти звуки с появлением пищи.
У людей тоже образуются условнорефлекторные связи; таким путем, в частности, могут вырабатываться определенные эмоциональные реакции, особенно страх. Ребенок, пока он еще недостаточно вырос, чтобы понять, зачем доктора и сестры колют его иглами и вообще всячески мучают против его воли, часто начинает плакать при виде человека в белом халате. Он научился ассоциировать холодные инструменты, неприятные запахи, подкожные инъекции (БС) с белым халатом (УС), и у него образовался условный рефлекс — страх — на прежде нейтральный раздражитель (белый халат).
Рис. 123. Моллюск Hermissenda crassicornis.
В недавно проведенной серии экспериментов ученым удалось не только выработать условный рефлекс, связывающий свет со специфическим движением, у морского брюхоногого моллюска Hermissenda crassicornis, но и проследить изменения, происходящие при этом в нервной системе (Alkon, 1983). Организмы, которыми питается Hermissenda, скапливаются в поверхностном, хорошо освещенном слое воды, так что моллюск, естественно, движется по направлению к свету. Но поскольку в неспокойном море можно легко получить повреждения, он в ответ на волнение воды столь же естественно замедляет движение к свету, т.е. к поверхности моря. Во время шторма Hermissenda обычно находит на глубине твердый субстрат, прикрепляется к нему и может отсиживаться там в спокойных водах в течение нескольких недель, обходясь без пищи.
Рис. 124. Вначале было измерено время, необходимое каждому моллюску для того, чтобы добраться от конца трубки до источника света. Затем животных помещали в дальних концах трубок и начинали вращать столик, создавая турбулентное движение воды, после чего еще раз измеряли скорость перемещения моллюсков и сравнивали ее с первоначальной. (Alkon, 1983.)
Экспериментаторы сначала измерили время, которое тратит группа моллюсков на передвижение к свету (БР). Затем часть животных поместили в сосуд с водой и, вращая его на столике, вызывали сильное волнение воды (БС) в присутствии света (УС) (рис. 124). Сочетание воздействия света и турбулентного движения воды привело к тому, что моллюски стали замедлять свое перемещение к свету (УР), причем этот рефлекс часто сохранялся в течение многих недель. После этого были исследованы нервные механизмы этого условного рефлекса на трех уровнях — анатомическом, биофизическом и биохимическом.
Нейроанатомические изменения. Исследователям удалось построить «карту» нервной системы Hermissenda, проследив те пути, с которыми связаны восприятие света и реакция на турбулентность. Свет возбуждает электрические сигналы в фоторецепторных клетках двух типов, имеющихся в глазу животного. Эти сигналы последовательно передаются интернейронам, мотонейронам и группам мышц. Движение воды воспринимается волосковыми клетками особых органов, сходных с органами слуха, и преобразуется в электрические сигналы, которые в свою очередь последовательно передаются по другой цепи через интернейроны и мотонейроны труппам мышц. Некоторые аксоны волосковых клеток образуют также синапсы с аксонами светочувствительных клеток. Так происходит взаимодействие двух сенсорных систем.
Один вид фоторецепторных клеток глаза — А-клетки — является по своей природе возбуждающим, а другой — В-клетки — тормозным. Это значит, что клетки типа В при своем возбуждении тормозят проведение импульсов по цепи нейронов, вызывающей мышечные сокращения при движении животного к свету. Чем выше активность В-клеток, тем сильнее производимое ими торможение. Когда во время выработки условного рефлекса свет и волнение воды воздействуют совместно, фоторецепторные клетки типа В возбуждаются сильнее, чем при реакции на один только световой раздражитель. Более высокий уровень активности этих клеток обусловлен интегрированной реакцией двух сенсорных систем на сочетание света с турбулентным движением воды.
Система волосковых клеток действует следующим образом. Вращение само по себе стимулирует активность этих клеток, и они сильнее затормаживают активность В-клеток. Иначе говоря, они ослабляют тормозящее воздействие В-клеток на мышцы, с помощью которых животное движется к свету. В результате скорость перемещения моллюска к свету возрастает. Однако, когда волнение воды стихает, активность волосковых клеток резко снижается и В-клетки освобождаются от их тормозящего влияния; в результате этого сильная и продолжительная реакция тормозных В-клеток приводит к замедлению движения моллюска по направлению к свету.
Таким образом, ассоциативное научение у этого морского животного — прямой результат изменений в возбудимости определенных, точно выявленных нейронов. Поскольку возбудимость нервной клетки зависит прежде всего от свойств ее мембраны, возник следующий вопрос: что происходит в мембране В-клетки во время выработки условного рефлекса?
Биофизические изменения в клеточной мембране. В главе 2 мы говорили, что нейрон в покое поляризован — внутренность клетки заряжена отрицательно по отношению к окружающей среде. Концентрация калия более высока внутри, а натрия — снаружи. Под действием сенсорного стимула или химического медиатора определенные каналы в клеточной мембране открываются, и ионы натрия и кальция проникают в клетку, деполяризуя ее. Деполяризация приводит к тому, что открываются также калиевые каналы, и вследствие высокой концентрации калия внутри клетки он начинает выходить наружу. В мембране существует множество каналов, специфичных для тех или иных ионов. Когда изменения мембранного потенциала деполяризуют клетку в достаточной степени, вдоль аксона распространяется волна активности. Эта волна активности и есть нервный импульс.
Исследователи установили, что после выработки условного рефлекса в В-клетках улитки происходит следующее: 1) в результате возбуждения, вызванного светом, усиливается приток ионов кальция внутрь; 2) во время деполяризации уменьшается выход ионов калия наружу. В результате этих изменений В-клетки становятся более активными. Во время выработки условного рефлекса ионы кальция аккумулируются внутри В-клетки. Эта аккумуляция становится возможной благодаря меньшему количеству открытых калиевых каналов и приводит к увеличению возбудимости клетки.
Поскольку содержание кальция в фоторецепторной клетке во время выработки условного рефлекса возрастает, а это может вызывать изменения в проницаемости ионных каналов мембраны, исследователи предположили, что изменения в ионных каналах могут быть связаны с инициацией или усилением определенных биохимических реакций.
Биохимические механизмы. Хотя концентрация кальция внутри фоторецепторных клеток в процессе обучения повышается, после его окончания она вновь становится нормальной. И тем не менее выработанный тип поведения сохраняется в течение нескольких недель: В-клетки продолжают возбуждаться и затормаживать работу мышц, с помощью которых животное движется к свету. Какой биохимический механизм лежит в основе этого устойчивого рефлекса?
Повышенный уровень кальция, наблюдаемый в период обучения, создается под действием медиатора условного рефлекса и активирует определенные ферменты, специфическая функция которых состоит в присоединении фосфата к белкам. Этот процесс, называемый фосфорилированием, изменяет свойства белков; в данном случае меняются свойства белка ионных каналов в клеточной мембране, что ведет к изменению их функциональной активности. (Напомним, что существуют отдельные каналы для ионов калия и для ионов кальция.) Изменение каналов непосредственно замедляет выход калия из клетки.
Кроме того, похоже, что эти фосфорилирующие ферменты, будучи однажды активированы, продолжают работать, изменяя свойства белков клеточных мембран спустя долгое время после того, как уровень кальция снизился до обычной нормы. Сходные явления наблюдаются при образовании условных рефлексов и у аплизии.
Анализ нейронных изменений, происходящих у беспозвоночных во время обучения, — это на сегодня одна из наиболее завершенных страниц нейрофизиологии, хотя некоторые детали здесь еще остаются предметом догадок. Происходят ли сходные изменения у высших животных, мы пока не знаем. Кажется вероятным, однако, что клеточные механизмы научения и памяти, используемые простыми организмами, могли в ходе эволюции сохраниться, хотя в сложной нервной системе позвоночных, несомненно, имеются дополнительные механизмы и системы мозга для хранения следов памяти.
