Мозг и память

Две предыдущие лекции были посвящены в основном таким компонентам поведения и психической деятельности, как запускаемые извне рефлексы и формируемые внутри мозга потребности. Оба они в основе врожденные.
Сегодня мы рассмотрим, как на их базе возни-кают приобретенные составляющие поведения, которые делают реакции нервной системы более разнообразными, сложными и тонко адаптированными к условиям жизни, обитания.

Опыты И.П. Павлова – первый пример объективного исследования поведения, обучения и формирования памяти:
Перед обучением
Обучение
После обучения
Условный
стимул
Безусловный
стимул
Условная
реакция

звонок
пища
пауза
пауза
и т.д.
звонок
пища
звонок
пища
Измеряем слюно- отделение в этот интервал времени (например, 15 сек)
S-образная кривая обучения:
свидетельствует о том, что исходно незначимый стимул стал значимым и теперь запускает реакцию слюноотделения.

S-образная кривая обучения:
свидетельствует о том, что исходно незначимый стимул стал значимым и теперь запускает реакцию слюноотделения.

ПИЩА
СЛЮНО-
ОТДЕЛЕНИЕ
ЗВОНОК
безусловный рефлекс
условный рефлекс: в коре
больших полушарий
образуется новый канал
для передачи информации
между слуховой
и вкусовой
(островковой)
корой; приобре-
тенный рефлекс
«надстраивается»
над врожденным
Язык
Продол-
говатый
мозг и
мост
Таламус

Сходная ситуация: крысу учат прыгать на полку в ответ
на вкл. лампочки (иначе – слабый удар тока). Это также пример условного рефлекса («ассоциативное обучение»).
Центры положительного подкрепления включаются при получении биологически полез-ных стимулов либо избегании биол. вредных стимулов. Анатомически это гипоталамус, базальные ганглии, голубое пятно, дофаминергические структуры среднего мозга.
В формировании нового канала для передачи информации участвуют:
сенсорный (зрительный) центр
центр, запускающий реакцию
промежуточные нейроны коры.
Добавим также центры положитель-ного подкрепления.

Новые каналы для передачи информации формируются между нейронами коры за счет повышения эффективности соответствующих синапсов.
В основе: активация деятель-ности главного возбуждающего медиатора мозга – глутами-новой кислоты (глутамата).
Сходная ситуация: крысу учат прыгать на полку в ответ
на вкл. лампочки (иначе – слабый удар тока). Это также пример условного рефлекса («ассоциативное обучение»).
В формировании нового канала для передачи информации участвуют:
сенсорный (зрительный) центр
центр, запускающий реакцию
промежуточные нейроны коры
Добавим также центры положитель-ного подкрепления.
Устойчивая активация глутаматных синапсов – основной способ формирования долговремен-ной памяти, значительная часть которой – ассоциации между любыми сенсорными стиму-лами и любыми реакциями (двигат. и вегетат.).
Эти ассоциации – основа поведен-ческих программ, значимость которых растет при успешной реализации (на нейронном уровне такой рост озна-чает все более выраженную актива-цию синаптической передачи).

Биологический смысл приобретенных (условных) рефлексов – заглянуть в будущее, предугадать наступление важных («подкрепляющих») событий и соответствующим образом подготовиться, скорректировать поведение. Можно прожить и только за счет врожденных реакций, но с обучением лучше!
прячется
БОЛЬ
?
?
запах
поиск еды

В ходе эволюции организмы быстро умнеют – то есть все успешнее формируют приобретенные программы. Дополнительно подталкивает этот процесс взаимодействие хищник ↔ жертва:
«лисы» съедают глупых «зайцев», а поумневшие (на уровне популяции) зайцы не достаются в пищу глупым лисам…
В результате суперхищник планеты Земля – это не самый сильный, зубастый, быстрый, а самый умный (то есть лучше всех обучающийся верно реагировать на меняющиеся условия среды).

Разнообразие типов памяти:
кратковременная и долговременная; ассоциативная и неассоциативная
(без положительного подкрепления).
В любом случае – это модификация синапсов (и рефлекторных дуг в целом).
Аналогия мозга – Интернет
(обучение = установление устойчивого соединения между двумя точками).
Для дальнейшего разговора немного прикоснемся к современной синаптологии.

Синаптичес-
кая активность:
межклеточная передача
сигнала в контактах-синапсах с помощью особых веществ (медиаторов), вызыва-ющих реакцию следующей клетки
(в пределах нейрона сигнал передается в форме электрических импульсов – ПД).
синапс

Основные части синапса:
* окончание отростка
нейрона
* синаптические
пузырьки (везикулы)
с медиатором
* пресинаптическая
мембрана
* синаптическая щель
* постсинаптическая
мембрана
Основные этапы передачи сигнала в синапсе:
Электрический импульс, бегущий по мембране нейрона (потенциал действия = ПД; длительность около 1 мс, амплитуда около 100 мВ) запускает движение везикул и выброс медиатора в синапт. щель
Медиатор воздействует на постсинаптические белки-рецепторы
3. Рецепторы вызывают возбуждение (вход Na+) либо торможение (вход Cl–) следующей клетки (возбуждение может вести к генерации ПД; торможение мешает возникновению ПД, затрудняя проведение сигнала).

Выброс (экзоцитоз) медиатора в синаптическую щель происходит после появления ПД, который вызывает открывание электрочувствительных Са2+-каналов (примерно на 2-3 мс).
Приход одного ПД в
среднем вызывает
выброс содержимого
примерно 50 везикул, после чего медиатор действует на белки-рецепторы.

СУММАЦИЯ:
реакция на исходно незначимый, но повторно (с небольшим интервалом) действующий стимул.
Т.е. мозг «обращает внимание» на регулярно повторяющийся (пусть и слабый) раздражитель.
Классические работы выполнены Эриком Кенделом (Ноб. премия, 2000) на голожаберном моллюске аплизии. Стимул – струя воды из трубочки.
Реакция (пассивно-оборонительная) – втягивание жабры.
Основные механизмы суммации – пресинаптические (прежде всего, накоп-ление кальция и рост числа «лопающих-ся» при очередном стимуле везикул).

1 – мышца, втягивающ. жабру; 2 – мотонейрон; 3 – синапс, в котором происходит суммация; 4 – сенсорный нейрон; 5 – жабра.
Слабый стимул: реакция только на 5-й раз (интервал между стимулами не должен быть слишком велик).
График накопления ионов кальция в пресинаптическом окончании
Реакция мембраны
мотонейрона
волны воз-
буждения
-50 мВ
-70 мВ
ПД и
запуск
реакции

1 – мышца, втягивающ. жабру; 2 – мотонейрон; 3 – синапс, в котором происходит суммация; 4 – сенсорный нейрон; 5 – жабра.
Слабый стимул: реакция только на 5-й раз (интервал между стимулами не должен быть слишком велик).
График накопления ионов кальция в пресинаптическом окончании
Реакция мембраны
мотонейрона
волны воз-
буждения
порог
-50 мВ
-70 мВ
ПД и
запуск
реакции

Слабый стимул: реакция только на 5-й раз (интервал между стимулами не должен быть слишком велик).
График накопления ионов кальция в пресинаптическом окончании
Реакция мембраны
мотонейрона
Свойства суммации :
если реакция появилась – она возникает на каждый очередной стимул
чем чаще стимуляция, тем быстрее наступает суммация
суммация может развиться в любом синапсе
срок сохранения модифи-кации синапса – несколько минут («короткая» кратковременная память)
волны воз-
буждения
порог
-50 мВ
-70 мВ
ПД и
запуск
реакции
Примеры: любое ритмическое или постоянное действие на человека сенсорных стимулов (капанье воды, прикосновение, раздражающие звуки, запахи и т.д.).

Долговременная потенциация (ДолгП):
пусть реакция на слабый стимул отсутствует
далее – подаем сильный стимул, запускающий реакцию
если синапс способен к ДолгП, то даже через несколько часов после сильного стимула слабый раздражи-тель может запускать его реакцию
ДолгП наблюдается только в синапсах с NMDA-рецепторами (медиатор – глутаминовая кислота = Glu).
Глутаминовая к-та

Уникальная особенность NMDA-рецепторов (в отличие от других рецепторов к Glu) состоит в том, что их канал может блокировать ион Mg2+ («магниевая пробка» – см. нижний рисунок).
В такой ситуации рецептор выключен, и Glu не вызывает возбуждения синапса.
Однако, если заряд в нейроне оказывается выше уровня -30 мВ, Mg2+ удаляется из канала («выбивание пробки»), и рецептор переходит в рабочее состояние (верхний рисунок).
Этот механизм – один из важнейших способов резко, практически мгновенно усилить эффектив-ность работы синапса (создать новый канал для передачи информации).
Подобные изменения лежат в основе формирования «длительной» кратковременной памяти, поскольку возврат магния обычно происходит только через несколько часов.

Наиболее очевидный способ
удаления Mg2+: ПД, запущенный с помощью не-NMDA-рецепторов к Glu, находящихся на той же постсинаптической мембране.
Данный синапс исходно не про-пускал слабые сигналы, вызы-вающие небольшой выброс Glu.
После однократной сильной стимуляции, запустившей ПД через не-NMDA-рецепторы, произошло «выбивание пробок».
Теперь на постсинаптич. мембране включились NMDA-рец. (обычно их в неск. раз больше, чем не-NMDA), и даже слабый сигнал вызы-вает большое возб-е, запуская ПД.

1 – не-NMDA-рецептор;
2 – NMDA-рецептор и ион Mg2+
3 – везикула с Glu
4 – ионный канал, через который входит Na+, запуская ПД.
Данный синапс исходно не про-пускал слабые сигналы, вызы-вающие небольшой выброс Glu.
После однократной сильной стимуляции, запустившей ПД через не-NMDA-рецепторы, произошло «выбивание пробок».
Теперь на постсинаптич. мембране включились NMDA-рец. (обычно их в неск. раз больше, чем не-NMDA), и даже слабый сигнал вызы-вает большое возб-е, запуская ПД.

Подобного рода синапсы, способные практически мгновенно увеличить эффективность работы, характерны для коры больш. полушарий и, осо-бенно, гиппокампа, избирательно связанного с кратковременной памятью.
Гиппокамп – область старой коры в глубине височной доли. Его аксоны образуют пучок белого вещества – свод. По своду информация через таламус достигает коры больших полушарий и, прежде всего, поясной извилины, а затем возвращается в гиппокамп (круг Пейпеза [Papez]).
Гиппокамп
Свод

По ходу дня нейронные контуры круга Пейпеза заполняются информа-цией, ассо-циированной с различными сенсорными центрами коры и центрами потребностей (эмоций).

Гиппокамп – структура, по-видимому, исходно предназначенная для пространственной памяти (рептилии); позже приобретает более широкие функции (зрительные и слуховые каналы, эмоционально значимые события).
Ограничения гиппокампа:
относительно небольшой объем памяти (переполнение – «эффект музея»)
электрошок (электросудорожная терапия) вызывает тотальное выбивание магниевых пробок и ретроградную амнезию (исп-ся, прежде всего, при тяжелых депрессиях; около 1 млн. больных в год); сходный эффект – эпилептические припадки;
информация хранится в течение «рабочего дня» и во сне теряется – если не успела перезаписаться в долговременную форму
сновидения – способ сохранить информа-цию на круге Пейпеза даже во сне.

Импринтинг = запечатление.
Конрад Лоренц, серые гуси.
«Впечатывание в мозг» определен-ной ключевой информации в строго определенный период онтогенеза.
детеныш ← образ родителя
родитель ← образ детеныша
место рождения
«пища детства»
потенциальный половой партнер
первый половой партнер и др.

1 – обучающийся (самый активный) синапс
2 – обучающийся нейрон
3 – нейрон, запускающий реакцию
БЕЛАЯ
ЧЕРНАЯ
РЫЖАЯ
Импринтинг – врож-денная программа с «пустым» пусковым звеном, которое заполняется опред. сенсорным образом (зрит., слуховым, обонятельным);
идет без подкрепления;
будучи сформирован, сохраняется
пожизненно
(очень прочен).
Врожденные свойства «мамы»: оптимальный размер, движется, звучит.

ОБУЧАЮ-
ЩИЙСЯ
НЕЙРОН
Вновь образованные рецепторы Glu встраиваются в мембрану
сенсорного синапса, повышая его эффективность.
РЕЗУЛЬТАТ: сенсор-
ный стимул запускает
ПД и реакцию
Вт.п. = вторичные посредники передают сигнал от рецептора внутри клетки (цАМФ, ИТФ, ионы Са2+ и др.).
Основной механизм импринтинга – синтез дополнительных рецепторов к Glu и встраивание их в наиболее активный синапс. Для этого – воздействие на ядерную ДНК.

Импринтинг – модель формиро-вания долговременной памяти.
Лосята – импринтинг образа матери; лосихи – импринтинг запаха детеныша.
Полевки – импринтинг «супружеской верности».
В жизни человека значимо проявляется при первых сраба-тываниях врожденных про-грамм (детское поведение, обо-ронительное, половое, «ранняя детская память» о пищевых отравлениях и др.).
В психологии: «импрессинг».

Возвращаемся к ассоциативному обучению: аналогично импринтингу, при выработке условного рефлекса, прежде всего, растет количество рецепторов в обучающемся синапсе.
реакция
двигательный или
вегетативный
нейрон
стимул
сенсорный
нейрон
обучающийся
нейрон
При этом на обучающемся нейроне должны сходиться сенсорный сигнал и информация о конечном успехе деятельности (центры положительного подкрепления).

ОБУЧАЮЩИЙСЯ
НЕЙРОН
Вновь образованные рецепторы Glu встраиваются в мембрану
сенсорного синапса.
Вт.п. – вторичные посредники (цАМФ, ИТФ, ионы Са2+ и др.)
РЕЗУЛЬТАТ: исходно
незначимый стимул
запускает ПД и реакцию

Для значимой активации синтеза рецепторов необходимо длительное «давление» на обучающийся нейрон. В отсутствии условного стимула это давление обеспечивает круг Пейпеза, записывающий и воспроизводящий информацию о раздражителе, сопровождав-шемся подкреплением. Именно этот механизм лежит в основе перезаписи кратковременной памяти в долговременную.
реакция
двигательный или
вегетативный
нейрон
стимул
сенсорный
нейрон
обучающийся
нейрон

Повреждение гиппокампа
(особенно – двусторон-нее) ведет к ухудшению кратковременной памяти, а также к нарушению формирования новой долговременной памяти.
Оливер Сакс «Антрополог на Марсе»
(Последний хиппи).
Проблема противоположной направленности – сверхпамять, иногда наблюдающаяся у людей с аутизмом, врожденными по-вреждениями ЦНС.
Ким Пик – «Человек дождя».
Центры
положительного
подкрепления

Запись ЭЭГ производится с поверхности скальпа. Волны ЭЭГ отражают синхронную электрич. активность нейронов новой коры.
Выделяют альфа- и бета-ритмы, тета- и дельта-ритмы, ряд патологических феноменов (эпи-активность и др.).
бодрствование
Ст. 1-2
Ст. 3 и 4
Кроме круга Пейпеза – другие примеры циркуляции-реверберации: альфа- и бета-ритмы электроэнце-фалограммы (ЭЭГ)
+ синхронизация ЭЭГ
REM (парадоксальный сон)

Альфа-ритм – 8-13 Гц, цирку-ляция сигналов между корой и таламусом («спокойное бодрствование»); наличие волн – знак сформированных контуров, на который в данный момент информация не обрабатывается, но хранится (отсутствие движений, внешних сенс. стимулов и т.п.).
Бета-ритм – 14-30 Гц, внутри-корковая циркуляция сигналов; признак совместной деят-ти разных зон коры; ритм усиливается при умственной нагрузке, хотя при сверх-
нагрузке не виден – идет полная десинхронизация.
Механизм: активация синапсов и нейронных контуров с NMDA-рецепторами в новой коре.

Ритмы ЭЭГ четко отражают уровень бодрствования: чем он ниже, тем меньше частота волн и выше амплитуда.
И тем более удивительно выглядит ЭЭГ на стадии парадоксального сна: смесь альфа-волн, бета-волн и участков полной десинхронизации.
бодрствование
Ст. 1-2
Ст. 3 и 4
На ЭЭГ видны стадии сна:
1-2 – засыпание;
3-4 – глубокий сон
(дельта-ритм; 1-3 Гц)
5 – парадоксальный (REM) сон с
«бодрствующей» ЭЭГ = стадия
быстрых движений глаз.
Ст. 5. Парадоксальный сон (REM-сон)

Стадии 1-4 – физиол. отдых мозга разной степени глубины.
REM-сон (парадоксальный: «бодрствующая» ЭЭГ, но порог пробуждения выше) – стадия сновидений, обработка накопленной информации (в первую очередь, за текущие сутки).
Около 20% времени сна; 4-5 раз за ночь где-то по 20 мин; в первые 3 года жизни – до 30-50% времени сна.
Если лишать парадоксального сна, то человек не высыпается, а на следующую ночь «добирает» REM-сон.
Развитый REM-сон – только у млекопитающих.
Сновидения – «дефрагментация диска», продолжение работы с памятью в ином состоянии (творческие сны, вещие сны и т.п.).
По-видимому, на круге Пейпеза возможно сохранение вчерашней информации до утра за счет сновидений.

Если лишать парадоксального сна, то человек не высыпается, а на следующую ночь «добирает» REM-сон.
Развитый REM-сон – только у млекопитающих.
Сновидения – «дефрагментация диска», продолжение работы с памятью в ином состоянии (творческие сны, вещие сны и т.п.).

Итак, память – это сетевое свойство нейронов коры больших полушарий.
При этом мы пока говорили о сенсорно-эмоциональной памяти;
о моторной памяти [= выработка двигательных навыков] разговор пойдет в лекции 7.

Итак, память – это сетевое свойство нейронов коры больших полушарий
При этом мы пока говорили о сенсорно-эмоциональной памяти;
о моторной памяти [= выработка двигательных навыков] разговор пойдет в лекции 7.
Обучение идет «фатально», вне прямой зависимости
от сознания;
психотравмы сложно забыть (и порой нужны препараты, ослабля-
ющих память…).
Но чаще все-таки мечтают о веществах, улучшающих память.
Середина 20-го века: гипотеза о «молекулах памяти» – специфи-ческих РНК и белках
(таблетка «алгебра»).
Сейчас мы понимаем, что таких молекул нет, и прямой вход в системы памяти мозга крайне затруден…

НООТРОПЫ.
Выделяются в особую группу лекарственных препаратов. Их объединяет способность стимулировать высшие психические функции (память, мышление), если эти функции ухудшены в результате недостаточной зрелости, заболевания,
травмы, хронической перегрузки и т.п.
Ноотропы в значительном числе случаев усиливают выработку энергии нейронами (являются легко метаболизируемыми веществами, сходными с ГАМК).
Но есть и другие группы ноотропов, улучшающие состояние мембран нервных клеток, обмен аминокислот в них, антиоксиданты, витамины и т.п.
Ноотропным действием может обладать даже диета.
Почти все ноотропы действуют мягко, медленно, при хроническом применении (2-3 недели). Исключение: «быстрый» ноотроп СЕМАКС; его введение показано немедленно после инсульта, травмы и т.п.

Не путать ноотропы с веществами, влияющими на работу синапсов – особенно, если имеется позитивный эмоцио-нальный компонент.
Тогда перед нами антидепрессант либо психомоторный стиму-лятор, ведущий к форми-рованию привыкания и зависимости (наркотики вызывают патологич. обучение!!!).
Ноотропы в значительном числе случаев усиливают выработку энергии нейронами (являются легко метаболизируемыми веществами, сходными с ГАМК).
Но есть и другие группы ноотропов, улучшающие состояние мембран нервных клеток, обмен аминокислот в них, антиоксиданты, витамины и т.п.
Ноотропным действием может обладать даже диета.
Почти все ноотропы действуют мягко, медленно, при хроническом применении (2-3 недели). Исключение: «быстрый» ноотроп СЕМАКС; его введение показано немедленно после инсульта, травмы и т.п.

Не путать ноотропы с веществами, влияющими на работу синапсов – особенно, если имеется позитивный эмоцио-нальный компонент.
Тогда перед нами антидепрессант либо психомоторный стиму-лятор, ведущий к форми-рованию привыкания и зависимости (наркотики вызывают патологич. обучение!!!).
Самостимуляция центров положительных эмоций

Стимуляция задней части лоб-ной доли правого либо левого полушария подкреплялась стимуляцией прилежащего ядра, если крыса сворачивала налево либо направо.
В результате была вырабо-
тана четкая ассоциация, позволяющая управлять движением животного.
К Р Ы С А – С У П Е Р А Г Е Н Т

Все это – «положительное обучение», приводящее к
формир-ю новых каналов для передачи информации.
Мозг умеет также активно избавляться от неэф-
фективных программ («отрицательное обучение»).
Оно запускается центрами отрицат. подкрепления
(включаются, если поведение не достигло успеха).
На субъективном уровне при этом возникают отрицат. эмоции,
на уровне информационных каналов – ослабление эффективности синапсов либо подключение к каналам тормозных нейронов.
Стимуляция центров отрицательн.
подкрепления в задней части гипо-
таламуса останавливает всякую
текущую деят-ть («фрустрация»).
В данной области мало работ, но
отрицат. обучение имеет огромное
значение для выстраивания «рей-
тинга» поведенческих программ;
оно же – основа нашего воспитания
(лекция 8)…
На фото: Хосе Делгадо и бык, 1963.

Спасибо за внимание!
В следующий раз – зачет.
От Александровой Ирины до Нестеровой Галины – к 18-30;
от Нестеровой Екатерины до Юриной Алены – к 20-00.