PDA-0247 (О субстрате следов памяти в мозге)

1.1 О субстрате следов памяти в мозге

Морфофункциональным субстратом памяти равно как эмоций и мотивационных состояний, являются прежде всего структуры лимбической системы

Если говорить о сущности физиологических и структурных изменений в мозге, могущих выступать в качестве носителя следов памяти, то эти изменения должны отвечать двум требовани­ям: быть достаточно длительными (в случае долговременной памяти— сохраняться, по-видимому, всю жизнь) и в то же время не сказываться существенно на текущих процессах в нейроне, характеризующих его фазическую активность (возбудимость, генерирование синаптических потенциалов, пика действия и т. п.). Очевидно, природа таких из­менений будет существенно различна в случаях кратковременной и долговременной памяти.

О природе следов кратковременной памяти

Для решения вопроса о природе носителя кратковременной памяти обращаются с одной стороны, к изучению нейронных процессов в мозге, вызываемых действием какого-либо раздражителя и сохраняющихся некоторое время после прекращения этого действия, а с другой стороны—к анализу некоторых электрофизиологических феноменов, могущих рассматриваться в качестве своеобразных проявлений процессов памяти в конкретных экспериментальных условиях. К подобным процессам и феноменам, выдвинутым в качестве возможного носителя кратковременной памяти, относятся посттетаническое потенциирование (41), относительно стойкие поляризационные сдвиги (В. С. Русинов, Моррелл), персеверационные процессы, представляемые обычно в виде циркуляции импульсов в нейронных сетях (Мюллер и Пильзекер, Хебб, Джерард), изменения в ча­стотной структуре или разовых сдвигах ЭЭГ-ритмов (М. Н. Ливанов и К. Л. Поляков, Майкопский, Джон с сотр., Эйди и др.) и некоторые другие.

В настоящее время каждое из выдвинутых предположений сталкивается с известными, то более, то менее серьезными возражениями. Так, посттетаническое потенциирование, являющееся пресинаптическим феноменом, в условиях реальных частот и продолжительностей импульсаций через одиночное волокно в центральной нервной системе вряд ли может обладать достаточной длительностью, характеризующей кратковременную память (десятки минут, часы). Неясно, как такое волокно может использоваться в фазу кратковременной памяти для «посторонних» импульсаций, сохраняя при этом избира­тельность для конкретных следов (очевидно, что «запирание» волокна на минуты и часы вряд ли допустимо), как пресинаптические процессы посттетанического потенциирования могут формировать структурные изменения долговременной памяти. Наконец, перед лицом исключитель­ной пластичности мозговых нейродинамических структур, дающей возможность лишь в вероятностном плане определить участие конкретных нейронов в конкретном акте осуществления функции, посттетаническое потенциирование в силу своей известной статичности требует, как но­ситель кратковременной памяти, такой избыточной представленности в мозге, какая вряд ли может иметь место в реальных условиях обычной жизнедеятельности организма. Фессар попытался устранить подобные возражения путем связывания феномена посттетанического потенциирования не только с ритмом вызванной данным стимулом импульсаций, но и со спонтанными импульсациями (вернее, с алгебраи­ческой суммацией вызванных и спонтанных импульсаций), а также с деятельностью мультисенсорных нейронов.

Временная организация процессов памяти в мозге и гипотеза консолидации

В первую очередь следует остановиться на весьма важных экспериментальных данных, касающихся общей структуры процессов памяти в мозге и приведших к обоснованию гипотезы о так называемой консолидации следов памяти. Исследования И. П. Павлова и его школы подчеркнули значение условного рефлекса как физиологического явле­ния, базирующегося на процессах фиксации следов в мозге и могущего быть использованным в качестве индикатора этих процессов. Поэтому приемы экспериментального исследования специальных свойств памяти базировались в значительной степени на учете (в качестве ее характе­ристик) скорости выработки и длительности сохранения условного реф­лекса, главным образом так называемого инструментального условно­го рефлекса и двигательного навыка побежки в лабиринте. Другим важным направлением анализа физиологических механизмов памяти было изучение случаев ее клинической патологии.

Было показано, что память в мозге основывается на двух группах явлений, связанных временной последовательностью как две фазы фик­сации следа. Эти две фазы памяти отличаются разной чувствитель­ностью к определенным воздействиям, угнетающим или дезорганизую­щим нейронную импульсацию в мозге. Так, Дункан показал, что если при выработке условного рефлекса избегания у крыс после каж­дой пробы подвергать животное через разные интервалы времени (от 20 сек. до 14 час.) электросудорожному шоку, то отмечается нарушение выработки условного рефлекса, которое тем больше выражено, чем ко­роче интервал между пробой и электрошоком. При интервале до 15 мин. выработка условного рефлекса оказалась невозможной, а свы­ше 1 часа — протекала нормально. Эти данные были затем подтвержде­ны при сходной постановке опытов многими исследователями, которые обнаружили все тот же временной интервал чувствительности к одиночному электрошоку после каждой пробы по выработке условного рефлекса, равный 40— 60 мин.

Возражения Кунса и Миллера, которые считали, что в данной постановке опытов решающую роль играла конфликтная оборонитель­ная ситуация, приводившая к выработке оборонительного условного рефлекса на обстановку, а не нарушение процессов запоминания, были опровергнуты экспериментами Мак Гоу и Мадсен, Пирлмен с сотр., Эссман с сотр. и др. В этих опытах электросудорожный шок применялся в условиях выработки оборонительного условного рефлекса с од­ного подкрепления и приводил в рамках тех же временных интервалов к нарушению памяти и отсутствию избегания при повторных предъявлениях оборонительной ситуации. Тенен показал амнезирующее влияние однократного электросудорожного шока и на пищедобывательный навык.

Важно отметить, что все перечисленные воздействия—электросудо­рожный шок, аноксия, гипотермия, наркоз—оказывали угнетающее вли­яние на запоминание событий, лишь непосредственно (в течение секунд, минут—до часа) им предшествовавших, причем тем более сильное, чем короче был интервал между событием, подлежащим запоминанию, и воз­действием. В отношении же событий (выработанных навыков, условных рефлексов), происходивших ранее, подобные воздействия заметного эф­фекта не оказывали, даже если они полностью подавляли на время вся­кую нейронную активность в мозге (например, глубокая гипотермия).

Приведенные факты и послужили основой для упомянутого вывода о наличии двух фаз фиксации опыта, имеющих в своей основе измене­ния в мозге различной природы: 1) фазы кратковременной памяти, свя­занной с нсйродпнамическими процессами как носителем следовых яв­лений, нарушаемой воздействиями, угнетающими или дезорганизующи­ми нейронную активность, и длящейся около 1 часа, и наступающей за­тем 2) фазы долговременной памяти, связанной со стабильными струк­турными изменениями, не нарушаемой упомянутыми воздействиями и длящейся, очевидно, всю жизнь. Период времени, предшествующий наступлению фазы долговременной памяти, связан, по-видимому, с процессами консолидации следа, т. е. процессами формирования струк­турных изменений под влиянием соответствующих нейродинамических процессов. Такова сущность гипотезы консолидации следов памяти, выдвинутой впервые в начале века Мюллером и Пильзекером и принятой в настоящее время большинством исследователей.

Эти выводы о двух фазах памяти, с наличием процессов консолидации следов, находят свое подтверждение и в результатах клиниче­ских наблюдений. Так, явления посттравматической ретроградной амне­зии, сводящиеся обычно к необратимой утрате следов о событиях, не­посредственно предшествовавших травме мозга (секунды, минуты—в зависимости от тяжести травмы), при сохранности в памяти событий отстоящих от травмы на более длительный период (корсаковский синдром)

.

Мысль о связи стойких поляризационных сдвигов с явлениями памяти возникла в связи с известными экспериментами В. С. Русинова с сотр. по созданию искусственного доминантного очага в участке коры больших полушарий путем слабой анодической поляризации последнего. При этом было обнаружено, что во время поляризации коркового эффекторного центра лапы кролика устанавливается связь центра с любыми внешними раздражителями (звук, свет), которая продолжает сохраняться (в отношении лишь применявшегося ранее раздражителя) в течение 20—30 мин. после выключения поляризующего тока. Моррелл подтвердил эти данные, а также показал, что одиночные ней­роны в зоне поляризации сохраняют после выключения последней спо­собность воспроизводить в ответ на единичный стимул (вспышку света) ритм стимулов, применявшийся во время поляризации. Изучая влияние поляризации коры на осуществление условного рефлекса избегания (после достижения критерия 70—75% правильных ответов), Моррелл пришел к выводу, что анодическая поляризация способствует сохранению следов памяти. Следует, однако, указать, что приведенные данные могут быть истолкованы как показатель сдвигов, лишь способст­вующих выявлению следов памяти (носителем которых могут быть дру­гие процессы в мозге) путем снижения порога возбудимости соответст­вующих нейронных структур. Кроме того, стойкие поляризационные сдвиги могли бы претендовать на роль носителя следов кратковременной памяти лишь в том случае, если бы была показана их избирательная локализация на уровне одиночных нейронов или даже их частей (как это представлено в гипотезе Н. А. Аладжаловой). Сдвиги же, приме­нявшиеся В. С. Русиновым и Морреллом, слишком диффузны, чтобы стать основой для дифференцированных следовых изменений в отдель­ных нейронах.

Эти же соображения могут быть отнесены и к роли естественных стойких сдвигов поляризации (стойких потенциалов) коры полушарий мозга, обнаруженных в определенной фазе выработки условных рефлексов (В. С. Русинов], Т. Б. Швец, Моррелл, тем более, что указанные сдвиги локализуются в зонах коры, являющихся скорее вход­ными или выходными воротами, чем местом сложной переработки и инте­грации сигналов и хранения результатов такой интеграции в памяти.

Вопрос о роли изменений в частотной структуре ЭЭГ в процессах памяти возник в связи с обнаруженным М. Н. Ливановым с сотр. во время выработки условной связи между двумя кзоритмическими раздражениями феноменом навязывания ритма в ЭЭГ, заключав­шимся в появлении в межсигнальном периоде ЭЭГ-ритмов, соответст­вующих по частоте применявшимся стимулам. Эти данные были затем подтверждены Либерзоном и Эллен, Стерн с сотр., Джоном с сотр. Феномен условнорефлекторного следования ритму свето­вых мельканий, описанный Морреллом, Иошии с сотр., Джоном с сотр. и другими, также может быть расценен как прояв­ление памяти в ритмах ЭЭГ (учитывая «метку» потенциалов частотой «запомнившихся» раздражений). Наконец, Майковским было опи­сано явление «генерализации» ритмов после выработки условного реф­лекса на ритмические вспышки света, когда первые предъявления в каче­стве дифференцировочных сигналов вспышек света другой частоты со­провождались моторным ответом с появлением прежней частоты ритмов в моторной зоне, одновременно с наличием новой частоты в сенсорной зоне (сходные явления наблюдались ранее М. Н. Ливановым с сотр. и А. И. Ройтбаком ). Эти данные были подтверждены за­тем Чоу , Джоном с сотр. , причем послед­ние показали появление ритмов прежней частоты в неспецифических структурах мозга (ретикулярная формация среднего мозга, неспецифи­ческие таламические ядра) при наличии частоты, соответствующей предъ­являемым стимулам, в корковых проекционных зонах.

Все приведенные данные свидетельствуют скорее об отражении про­цессов оперирования с долговременной памятью, чем о носительстве сле­дов кратковременной памяти. Можно думать, вслед за Джоном с сотр., Бреже и др., что в данном случае в частотной структуре ЭЭГ разных отделов мозга отражены, возможно, процессы сравнения, сличения прошлого опыта с наличными воздействиями, с которых говори­лось в предыдущей главе в связи с вопросами возникновения ориентиро­вочной реакции и которые необходимы для осуществления любых ответ­ных действий организма (при совпадении этих показателей действие осу­ществляется автоматически, при рассогласовании требуется организация нового действия, с активным «принятием решения»). В этих процессах сравнения прошлый опыт представлен, по авторам, активностью неспе­цифических структур мозга, а сигналы о текущих событиях — активно­стью специфических зон новой коры.

С подобных процессах сличения сигналов настоящей ситуации со следами памяти говорит, по данным Эйди , сдвиг фаз ритмиче­ских колебаний потенциала в гиппокампе и энторинальной коре, наблю­давшийся в условиях, требовавших выработки «планированного пове­дения».

В связи с вопросом об участии мозговых ритмических электрических процессов в явлениях памяти следует указать на интересные представления с роли спонтанных ритмов ЭЭГ как своеобразных часов мозга, обеспечивающих временное кодирование следов памяти (еще Бергсон отметил, что память всегда датирована). При­менив метод корреляционного анализа ЭЭГ, Бреже показала нали­чие периодически повторяющегося фазосвязанного компонента альфа-ритма, который мог бы, согласно приведенным представлениям, играть роль ме­ханизма отсчета времени в мозге. Фазовые сдвиги между этим компо­нентом альфа-ритма и частотными составляющими ответа мозга на внешний сигнал, выявленные в указанном исследовании, и выражают, по мнению автора, временное кодирование.

Оценивая роль усиления медленных ЭЭГ-ритмов в интервале между условным сигналом и подкреплением на более поздних этапах выработки условного рефлекса, Моррелл высказал предположение, что это усиление отражает процессы записи установившихся связей в долго­временную память. Иными словами, и в этом случае ритмы ЭЭГ высту­пают скорее как инструмент обращения с памятью, чем как носитель ее следов.

Представление о длительной циркуляции нервных импульсов в ней­ронных сетях как о носителе кратковременной памяти основывалось в морфологическом плане на данных Рамон-и-Кахала, а в физиологиче­ском — на анализе спинального разряда последействия, проведенном Форбсом , на известных данных Лоренте де Но о динамике возбуждений в ядре подъязычного нерва, на исследо­ваниях И. С. Беритова относительно протекания рефлекторного раз­ряда в спинном мозге, на данных Дюссе де Баренна и Мак Каллока о роли таламо-кортикальной циркуляции импульсов в генезе ритмов ЭЭГ Чанга — о происхождении поздних компонентов первичного ответа, Бэрнса — о генезе длительных вспышек нейронной активности в изолированной полоске коры после нанесения единичного раздра­жения и др. Такая циркуляция импульсов по нейрон­ным кругам и связь ее со спонтанной мозговой активностью была проде­монстрирована в прямых наблюдениях Верцеано и сотр. с одно­временной регистрацией активности нескольких соседних нейронов при помощи множественного микроэлектродного отведения в условиях уси­ленной синхронизации макропотенциалов в ЭЭГ (сон, судорожная актив­ность).

Детальное обоснование роли такой циркуляции импульсов в процес­сах памяти дано Хеббом, который считал, что фиксация следа связана со стойкими изменениями синаптической проводимости, возни­кающими при повторных поступлениях к синапсу импульсного разряда определенной конфигурации.