7.10. Синаптические механизмы научения

7.10. Синаптические механизмы научения

В настоящее время наиболее детально изучены клеточные механизмы неассоциативного научения. Обе его формы обусловлены изменением количества медиатора, высвобождаемого пресинаптическим нейроном и контролируемого уровнем Ca²⁺.

Используя в качестве модельной простую нервную систему морского брюхоногого моллюска аплизии (Aplysia californica), американский нейрофизиолог Э. Кендал (р. 1929), лауреат Нобелевской премии 2000 г., описал синаптические механизмы научения (Кендал Э., Хокинс Р., 1992). Аплизия может достигать 30 см в длину и до 2 кг веса, но главное ее «достоинство» – это крупные немногочисленные нейроны, которые легко идентифицировать.

Привыкание характеризуется инактивацией Ca²⁺-каналов, что уменьшает приток ионов Ca²⁺ и, соответственно, выброс медиатора. При сенситизации поступление Ca²⁺ в пресинаптический нейрон, наоборот, возрастает, что приводит к увеличению выброса медиатора.

Сенситизация исследована более подробно. Она связана с активацией модулирующего нейрона, образующего синапсы на пресинаптическом окончании. Модулирующий нейрон обычно выделяет медиатор серотонин, который связывается с метаботропными рецепторами, сопряженными с аденилатциклазой, что приводит к ее активации и запуску синтеза вторичного мессенджера ц-АМФ, активирующего протеинкиназу. Воздействуя на K⁺-каналы, протеинкиназа удлиняет время функционирования потенциал-зависимых Ca²⁺-каналов, что увеличивает поступление Ca²⁺. Увеличение выброса медиатора усиливает возбуждающее действие мотонейрона (Кендал Э., Хокинс Р., 1992).

Нейрофизиологической основой ассоциативного научения служит конвергенция безусловного и условного сигналов. Согласно гипотезе канадского психолога Д. Хебба (1904–1985), в основе научения лежит повышение эффективности синапсов, что происходит при одновременной стимуляции пре– и постсинаптических нейронов (Hebb D., 1949). Такие структуры получили название «синапсов Хебба». При этом происходит специфическая активация существовавших ранее, но слабых синапсов, исходивших от условного раздражителя. Условный рефлекс – это скорее не новообразование, а усиление существующей структуры (Hebb D., 1949).

Что касается безусловных рефлексов, то главную роль в их формировании играют процессы роста и дифференциации нервной ткани. Некоторые такие процессы детально исследованы.

Следует учитывать, что при нормальной работе мозга синапсы нейронов активируются не отдельными ПД, а их потоками разной регулярности. Такая активность может изменить синаптическую передачу, что и определяет синаптическую пластичность.

В 1973 г. нейрофизиологи Т. Блисс и Т. Ломо описали особое явление в гиппокампе кроликов (Bliss T., Lomo T., 1973). После кратковременной «залповой» стимуляции наблюдалось длительное (много часов и даже дней) усиление активности нейронов. Это явление получило название долговременной потенциации (ДВП). Оно вызвало всеобщий интерес – ДВП стали рассматривать как один из основных механизмов повышения эффективности синаптической передачи в процессах научения и памяти.

К настоящему времени феномен ДВП обнаружен и в других отделах мозга, включая неокортекс, однако его механизм до сих пор не совсем понятен. Вероятно, существует несколько разных механизмов инициации.

Во всех случаях ключевую роль исследователи придают ионам Ca²⁺. Основной путь поступления Ca²⁺ в нейронах гиппокампа – это глутаматные NMDA-каналы постсинаптической мембраны. Они совмещают в себе свойства потенциали лиганд-зависимых каналов: при потенциале покоя NMDA-каналы заблокированы ионом Mg²⁺, но при деполяризации блокировка снимается. Причиной деполяризации является прохождение ионов Na⁺ через AMPA-каналы. Это также глутаматные каналы, но не зависящие от потенциала. Обычно NMDA-и AMPA-каналы расположены рядом. Увеличение концентрации Ca²⁺ приводит к активации ряда биохимических путей.

Один из таких путей начинается с соединения Ca²⁺ с белком кальмодулином, что активирует Ca²⁺-кальмодулин-зависимую киназу. Это может приводить к образованию дополнительных AMPA-каналов (Николс Дж. [и др.], 2008). Возрастание их числа позволяет увеличивать эффективность синаптической передачи.

Другим вариантом ДВП рассматривается активация метаботропных глутаматных рецепторов. В этом случае Ca²⁺ поступает не через NMDA-каналы, а из внутриклеточных депо (Николс Дж. [и др.], 2008). Увеличение активности синапса обусловлено усилением выброса глутамата пресинаптическим нейроном. Синхронность такого взаимодействия объясняют влиянием ретроградного мессенджера, передающего сигнал в пресинаптический нейрон и повышающего уровень выделения медиатора в нем. Наиболее вероятный кандидат на эту роль – NO. Его образование инициировано другим биохимическим каскадом, в котором происходит активация NO-синтетазы. Оксид азота диффундирует через клеточную мембрану постсинаптического нейрона и по системе вторичного мессенджера (ц-ГМФ) активирует Ca²⁺-каналы пресинаптического нейрона, что увеличивает выброс медиатора. За открытие сигнальной роли оксида азота американским биохимикам Р. Фурчготту (р. 1916), Ф. Мюраду (р. 1936) и Л. Игнарро (р. 1941) была присуждена Нобелевская премия 1998 г.

Как можно было заметить, вопросов вокруг ДВП пока больше, чем ответов. С самого начала далеко не все нейрофизиологи разделяли оптимизм по поводу открытия этого явления, а некоторые рассматривали его как артефакт (Роуз С., 1995). И сейчас, несмотря на многолетнее изучение, говорить о взаимосвязи ДВП, научения и памяти пока рано.

При изучении механизмов научения было сделано интересное наблюдение. Когда организм приобретает новый опыт, требующий изменить поведение, обычно наблюдаются морфологические и биохимические изменения в определенных зонах мозга. Эти изменения проявляются в модификации структуры нейронов, синапсов, каскадами биохимических реакций, синтезом новых веществ. Показаны изменения числа и формы шипиков, увеличение количества синапсов. Аналогичный механизм регулирует экспрессию генов в ходе развития организма, что указывает на его универсальность. Во всех этих случаях процесс регуляции можно разделить на две стадии (Анохин К. В., 2003).

На первой стадии происходит активация «ранних генов», функционирующих в начале онтогенеза и не требующих для своей активации регуляторных белков. Их экспрессия запускается неклеточными факторами. В многочисленных сигнальных путях, приводящих к активации транскрипционных факторов «ранних генов», участвуют различные вещества. Важнейшим переносчиком сигнала среди них является ц-АМФ.

При научении происходит реэкспрессия «ранних генов» – реактивируются некоторые гены, участвующие в формировании нервной системы в ходе онтогенеза.

Эффективность синаптической передачи изменяется в процессе жизнедеятельности. Синаптическая пластичность во многом обусловлена изменениями концентрации ионов Ca²⁺. Увеличение поступления Ca²⁺ внутрь клетки также порождает сигналы для ядра нейрона, в котором начинают активироваться «ранние гены» (Роуз С., 1995).

На второй стадии регуляторные белки «ранних генов», перемещаясь в ядро, включают работу «поздних генов», для активации которых они необходимы. Развитие молекулярно-генетических методов стимулировало поиск генов мозга, изменяющих свою экспрессию при научении.

Отличием процессов научения от процессов развития являются факторы запуска цепочки. В онтогенетическом развитии ими служат стимулы химической природы (гормоны, факторы роста, нейромедиаторы), а при научении – сравнение поступающей информации с информацией, хранящейся в памяти. Решающее значение имеет именно новизна ситуации, запускающая каскад. Этот факт позволяет некоторым авторам рассматривать обучение как продолжение морфогенеза взрослого мозга (Анохин К. В., 2003). Столь интересный феномен еще не получил адекватной оценки в психологии.