Изменчивость генетически детерминированных типов сетей

Хотя общая картина связей специфических функциональных сетей удивительно сходна у всех, представителей одного вида, опыт каждой отдельной особи может оказывать дальнейшее влияние на межнейронные связи, вызывая в них индивидуальные изменения и корректируя их функцию.

Представим себе, например, что в мозгу большинства крыс каждый нейрон 3-го уровня в зрительной системе соединен примерно с 50 клетками-мишенями 4-го уровня – сравнительно небольшая дивергенция в системе, характеризующейся в остальном четкой иерархией. Теперь посмотрим, что произойдет, если крыса вырастет в полной темноте? Дефицит входной информации приведет к перестройке зрительной иерархии, так что каждый нейрон 3-го уровня будет контактировать только с 5 или 10 нейронами 4-го уровня вместо обычных 50. Однако, если мы рассмотрим нейроны 4-го уровня в микроскоп, мы убедимся, что у них нет недостатка во входных синапсах. Хотя зрительные нейроны 3-го уровня из-за малого числа связей передают информацию на 4-й уровень в ограниченном объеме, ее дефицит восполняется за счет других работающих сенсорных систем. У нашей крысы в доступном синаптическом пространстве 4-го уровня происходит процесс расширенной переработки слуховой и обонятельной информации.

Рассмотрим другой случай, где тот же эффект проявляется не столь резко. По некоторым данным, интенсивность межнейронной передачи сигналов может влиять на степень развития синаптических контактов между уровнями. Ряд ученых придерживается мнения, что некоторые формы памяти обусловлены изменениями в эффективности таких контактов. Эти изменения могут быть связаны как с микроструктурой (увеличение или уменьшение числа синапсов между клеткой А и клеткой Б), так и с действием медиаторов, участвующих в передаче сигналов (изменение количеств медиатора, синтезируемых и высвобождаемых одной клеткой, или степени реактивности другой клетки). Эта тонкая регулировка локальных синаптических функций очень важна при некоторых заболеваниях мозга, о природе которых нам мало что известно. Малейшие изменения, происходящие на уровне синаптической активности, могли бы действительно вызвать аномалии поведения, но изменения эти настолько малы, что трудно установить, какова их роль на самом деле.

Нервные клетки не уникальны в своей способности к функциональным изменениям. Во многих других тканях клетки тоже могут изменяться, приспосабливаясь к нагрузке. Если мы возьмем небольшую пробу ткани из четырехглавой мышцы бедра у начинающего тяжелоатлета, а затем у него же после нескольких месяцев усиленной тренировки, то увидим, что каждое мышечное волокно содержит теперь сократимые фибриллы несколько большего размера и число этих фибрилл увеличилось. Слущивающиеся старые клетки вашей кожи и те, что выстилают желудочно-кишечный тракт, ежедневно заменяются новыми; эти клетки, однако, обладают способностью, которой нет у нейронов – они могут делиться.

Нейроны генетически запрограммированы на синтез специфических молекул, с помощью которых работают синапсы, а также на образование весьма специфических связей, но не способны к делению. Представьте, что было бы, если бы нервные клетки стали делиться после образования синаптических связей. Как смогла бы при этом клетка распределить свои входные и выходные сигналы, чтобы сохранить прежние связи?

Хотя нейроны и не могут делиться, они обладают большей по сравнению с другими клетками способностью к адаптивной перестройке. Как показали эксперименты, в которых удаляли небольшой участок мозга, а затем в течение нескольких недель наблюдали за реакцией оставшихся частей, некоторые нервные клетки действительно могут регулировать степень своей связи с мишенями. Как правило, при повреждении некоторых синапсов одного нейрона другие, неповрежденные нейроны могут восполнить утраченные звенья цепи путем некоторого ускорения нормального процесса замены синапсов. Если две нервные клетки должны «общаться» более интенсивно, число связей между ними может возрастать за счет добавления новых синапсов при одновременном сохранении старых.

По-видимому, статичность макроскопического строения нервной системы заслонила от нас факт постоянного роста и отмирания связей. Существует даже мнение, что нейроны в нормальном состоянии все время образуют новые связи со своими мишенями. Как только новые синапсы сформировались, старые разрушаются. Такое замещение, вероятно, может компенсировать изнашивание связей в результате их длительной и непрерывной работы.

Хотя испытанное временем представление о том, что наш мозг не может регенерировать утраченные клетки, остается по-прежнему справедливым, исследования последних лет наводят на мысль, что здоровые нейроны обладают значительной структурной пластичностью. Этот более динамичный взгляд на изменчивость мозга открывает широкое поле для исследований.

Мозг как динамическая система

Нейрональная пластичность. Последние 20 лет были ознаменованы своего рода революцией в понимании нами синаптической передачи и ее регуляции. Синаптическая передача теперь рассматривается как опосредованная не статическими процессами фиксированной интенсивности, а скорее динамическими процессами, непрерывно регулируемыми многими факторами. В 1973 году группа исследователей впервые опубликовала отчет об искусственно вызванном изменении синаптичекой силы. Они обнаружили, что стимуляция определенных нейронных волокон высокочастотными электрическими импульсами вызывает заметное усиление синапсов этих волокон (т.е. требуется большее усилие, чтобы вызвать постсинаптические потенциалы), сохраняющееся в течение нескольких недель. Это наблюдение, которое они обозначили как долговременное потенциирование (long-term potentiation - LTP) было, по-видимому, первым сообщением о синаптической пластичности.

Существенным моментом в индуцировании синаптической пластичности почти во всех экспериментальных моделях является изменение постсинаптического (иногда пресинаптического) потенциала мембраны, как правило деполяризация. Кроме того, имеются еще две общие особенности синаптической пластичности. Во-первых, Ca2+ обычно играет необходимую роль в вызове синаптических изменений. Увеличение Ca2+ может происходить либо в результате проникновения через каналы мембраны, либо выбрасываться из межклеточных запасов, или тем и другим способом одновременно. Во-вторых, пластичность обычно проявляет себя в двух основных формах: кратковременной, которая зависит от пост-трансляционных изменений имеющихся протеинов, и долговременная, которая зависит от экспрессии гена и de novo синтеза протеинов. Все более становится понятным, что для многих экспериментальных моделей живой мост между начальной индукцией пластичности и ее поддержанием на протяжении времени представляет собой активацию аденилат циклаз и протеин киназ А. Один из наиболее изученных механизмов регуляции проникновения Ca2+ в синаптической передаче относится к N-метил-D-аспартат (N-methyl-D-aspartate - NMDA) возбудимому аминокислотному рецептору. Спустя годы стало ясно, что многие субклеточные системы сложным образом объединяются для регуляции проникновения и уровня Ca2+ - например, фосфоинозитидная система, системы G протеинов, а также нейрональные мембранные потоки.

Определяемые опытом нейронные процессы. В серии экспериментов с морским моллюском Aplysia Кэндел показал, что синаптические связи могут быть полностью изменены и усилены посредством регуляции научения в среде. Кэндел обнаружил, что с процессом научения Aplysia связаны структурные изменения нейронных путей и изменения ряда синапсов. По существу, LTP является механизмом, посредством которого Aplysia на опыте обучается на синаптическом уровне, после чего зависящий от опыта процесс трансформируется в структурные, «жесткие» изменения.

В другой серии экспериментов над макаками при помощи множества проникновений электродами исследовалась карта руки в соматосенсорной коре до и после пересечения трех нервов, иннервирующих руку. Сразу после пересечения нерва большая часть территории коры, которая прежде могла активироваться областью руки, иннервированной афферентными нервами, стала нечувствительной к соматической стимуляции. У большинства макак малые островки потерявшей чувствительность коры постепенно начали отвечать на соматическую стимуляцию от соседних областей. Спустя несколько недель после операции ранее молчавшие области начали отвечать и переорганизовались топографически.

Исследования первичной зрительной коры млекопитающих как правило показывают зависящие от опыта изменения. Блокада спонтанной разрядки ретины приводила к прекращению разделения афферентных путей от обоих глаз к окуло-доминантным колонкам; данное наблюдение предполагает, что спонтанная активность может определять упорядочение аксонов. Ганглиозные клетки развивающейся ретины участвуют в согласованной колебательной активности, которая позволяет использовать синхронную активность в качестве средства идентификации первичных и соседних связей афферентных путей. Тем не менее, реальные пробы нейронов первичной визуальной коры, особенно те, что расположены в удаленных от таламического входа слоях, развивают специфичные к чертам ответы лишь при наличии зрительного образа. Визуальные кортикальные «карты» в этих слоях можно изменить, если повлиять на зрительный опыт в критический период раннего развития.

Говоря на более общем и психологичном уровне, были сообщения о зависящих от опыта изменениях у людей и других млекопитающих, подвергшихся материнской и социальной депривации в критические периоды младенчества и детства. Доказано, что большой набор социальных и интеллектуальных умений определяется наличием реальных стимулов в раннем возрасте.

Образующие ансамбль связи и высшие психические функции. Рамон-и-Каял одним из первых осознал, что информация может сохраняться посредством модифицирования связей между взаимодействующими нервными клетками, образующими ассоциации. Получение и представление информации как правило влечет за собой модуляцию синаптических контактов между нервными клетками. Информация сохраняется путем облегчения и выборочного удаления синаптических связей между нейронными скоплениями, представляющими отдельные аспекты среды. Таким образом, память является ассоциативной по своей природе; информация, которую она содержит, определяется взаимоотношениями нейронов.

Хебб предположил, что «две клетки или системы клеток, которые всякий раз активизируются одновременно, будут стремиться связаться так, что активность одной способствует активности другой». Посредством суммирования совпадающих по времени входных сигналов нейроны связываются друг с другом так, что оказываются способны подменять одни клетки в активизации других. Кроме того, связи между входными и выходными нейронами усиливаются дублирующимися волокнами и обратными связями. Что обеспечивает незатухающее возбуждение – реверберацию. Посредством этих ассоциативных процессов клетки связываются в функциональные единицы памти, или «клеточные ансамбли» Хебба. Функциональное значение синхронной конвергенции в коре млекопитающих хорошо документировано.

Простые сенсорные воспоминания или образы, вероятно, образуются в клеточных ансамблях или модулях сенсорных или парасенсорных зон коры. Иерархия перцептивных воспоминаний простирается от сенсорной конкретности до понятийной обобщенности. Внизу располагается информация о сенсорных ощущениях; наверху – абстрактные понятия, которые хотя и получены на основе сенсорного опыта, тем не менее приобрели независимость от них на уровне мыслительных операций. Этот информационный процесс должен, по-видимому, развиваться, по крайней мере частично, в ходе самоорганизации снизу вверх; то есть от сенсорных зон коры к ассоциативным зонам. Таким образом, мнемические сети, по-видимому, должны формироваься в коре под влиянием таких процессов, как синхронная конвергенция и самоорганизация. На более высоких уровнях топография хранения информации становится чрезвычайно нечеткой вследствие более широкого распространения мнемических сетей, связывающих сильно разбросанные области ассоциативной коры, представляющие отдельные свойства, которые, несмотря на их неодинаковость, были связаны в опыте. Поскольку эти воспоминания высокого уровня являются более диффузными по сравнению с простыми сенсорными воспоминаниями, они оказываются более стойкими. Лишь массированное разрушение коры приводит к неспособности искать и использовать понятийное знание – к «потере абстрактного видения».

Подобно сенсорной, моторная информация о планах и решениях также должна описываться иерархически. Высказано предположение, что кора фронтального лба обеспечивает расчеты наиболее высоких уровней двигательной информации. На низшем кортикальном уровне находится первичная двигательна кора, репрезентирующая и опосредующая элементарные двигательные акты. Префронтальная кора, обычно рассматриваемая как ассоциативная кора фронтального лба, представляет самый высший уровень двигательной иерархии. Так обстоит дело не только при репрезентации сложных видов деятельности (понятия деятельности, планов и программ), но также и при их реализации, включая реализацию работы памяти. Префронтальная кора развивается поздно (как фило- так и онтогенетически) и получает волокна от субкортикальных структур, так же как от прочих зон неокортекса. Такие широкие связи объединяют друг с другом перцептивную и понятийную сети задней коры с префронтальными двигательными сетями, образуя таким образом перцептивно-двигательные ассоциации на высшем уровне.

Обычно информация, хотя и хранится в форме связей нейронной сети, является «спящей». Об активации сети говорится, когда представляемая ею информация востребуется ассоциативным процессом или распознаванием. Высшие психические функции, такие как работа памяти и абстрагирование, включают активацию более сложных ассоциаций множества сетей. Например, в задачах с отсроченным ответом (которые включают работу памяти) активизируются многие распределенные в мозге сети. Обычно в задачи работы памяти входит выбор между последовательно представленными стимулами. Разработка некоторого плана правильного выбора требует формулирования плана выбора стимулов. Задержки между следующими стимулами необходимы для того, чтобы в течение времени удерживать этот план в сознании. Таким образом, для успешного выполнения задач работы памяти необходимо симультантные и параллельные ассоциации между кратковременной памятью (прошлый стимул), мгновенной перцептивной памятью (распознавание текущего стимула) и долговременной понятийной памятью (правила выбора следующего стимула). Короче говоря, чем выше уровень выполняемой мозгом психической функции, тем более запутанными оказываются ассоциации между распределенными нейронными сетями. Чем сложнее психическая функция, тем в большей мере мозг привлекает ассоциативные ресурсы функциональных связей. Точно так же, чем больше достигнута мозгом «коннекциональная мощь», тем выше потенциал для более качественного психического функционирования индивидуума.

Важным аспектом множественных связей между нейронными сетями является непрерывность, которая проистекает из множественных ограничений, возникающих при объединении различных нейронных сетей. Если до установления связи, две системы могли действовать независимо друг от друга, то после того, как их деятельность стала взаимной, активность одной нейронной системы или сети будет влиять на активность другой. Так можно выразить внутреннюю непрерывность, которую мы ощущаем в наших психических функциях, а также то, почему реальность воспринимается организованной аудиторно, визуально и тактильно. Планирование, обдумывание и деятельность также обладают непрерывностью; мысли и реакции нацелены на имеющиеся стимулы и гармонизируют сиюминутные события. Наконец, весь наш опыт выглядит единым в своей логической и смысловой непрерывности.

Интеграция вместо сегрегации в организации коры и нейронная сложность. Важное взаимодейтсвие интеграции (функциональной связности) и сегрегации (функциональной специализации различных нейрональных подсистем) охватывает математическое понятие нейрональной сложности (CN). CN является низкой для систем, компоненты которых характеризуются либо полной независимостью, либо полной зависимостью. CN является высокой для систем, компоненты которых одновременно являются независимыми (на уровне малых групп) и демонстрируют увеличение зависимости в группе с увеличением ее размера. Различные нейрональные группы функционально сегрегированы, если их действия обнаруживают статистическую независимость. Наоборот, группы являются функционально интегрированными, когда они демонстрируют высокую статистическую взаимозависимость. Функциональная сегрегация в нейрональной системе характеризуется понятием относительной статистической независимости малых подгрупп системы, а функциональная интеграция – понятием достоверного отклонения от этой статистической независимости.

Более полное описание функциональной связности мозга должно быть связано со статистической структурой сигналов, отбираемых из окружающей среды. Такие сигналы активизируют определенные нейрональные популяции, в результате чего синаптические связи между ними усиливаются или ослабевают. В ходе развития и обретения опыта соответствие или согласованность функциональной связности мозга и статистической структуры сигналов, отбираемых из окружающей среды, возрастает в процессе изменения и отбора на уровне синапсов. Эти процессы наглядно демонстрирует организация первичных зрительных зон. Внутри зрительной зоны система связей (связность) первоначально имеет однородную структуру. В ходе развития и обретения опыта она подвергается процессам отбора, благодаря которым нейроны, отвечающие за похожие ориентации, преимущественно становятся связанными. В результате функциональная связность, которая составляет основу различных критериев гештальта, соответственно делает предпочтительными вытянутые колинеарные края ретинального образа.

Ученые ввели статистическую меру, названную ими сложность согласования (CM), которая отражает изменение CN, наблюдаемое при получениии нейронной системой сенсорного входного сигнала. Посредством компьютерного моделирования было показано, что, когда синаптическая связность упрощенной кортикальной зоны организована случайным образом, CM является низкой и функциональная связность не соответствует статистической структуре сенсорного входа. В то же время, при изменении синаптической связности и подборе такой функциональной связности, при которой вход строго активизирует внутренние корреляции, CM возрастает. Было также показано, что после того, как определится репертуар внутренних корреляций, подстраивающихся под статистическую структуру сенсорного входа, этот репертуар начинает играть решающую роль в том, как мозг категоризирует (т.е. воспринимает) отдельные стимулы.

Роль синапсов в формировании временной связи. Процесс замыкания временной связи при формировании условных рефлексов заключается в том, что ранее бездействующие синапсы вставочных нейронов становятся проходимыми для нервных импульсов при сочетании условного и безусловного раздражителей. Первоначально считалось, что во время образования условного рефлекса происходит рост отростков нервных клеток, устанавливающих новые межклеточные связи, либо происходит образование своеобразных выростов («шипиков») на апикальных дендритах пирамидных нейронов. Однако в последние годы более популярным является представление о том, что в процессе выработки условного рефлекса меняются свойства уже существующих между соответствующими нейронами синапсов, т.е. повышается эффективность синаптической передачи за счет повышения проводимости существующих синапсов. Предполагается, что в результате сочетания условного сигнала и безусловного раздражителя в синапсе появляется медиатор, обеспечивающий передачу возбуждения (как следствие экспрессии гена, контролирующего синтез этого медиатора). Таким образом, синаптическая гипотеза предполагает, что морфологические связи между отдельными нейронами существуют до начала выработки условного рефлекса, т.е. они являются врожденными, а их функционирование начинается лишь в процессе формирования условного рефлекса.

Ряд исследователей полагают, что повышение проводимости синапсов в процессе выработки условного рефлекса обусловлено непрерывной циркуляцией нервных импульсов между очагами возбуждения в коре больших полушарий, т.е. по кольцевым системам коры. Считтается, что выход импульсов в боковые замкнутые круги происходит при достаточной интенсивности возбуждения или при повышенной возбудимости нервных элементов данного пути. Такая степень возбудимости достигается при сочетании условного и безусловного раздражителей, когда происходит слияние двух потоков импульсов. В результате устанавливается непрерывная циркуляция возбуждения по такой замкнутой кольцевой системе. Этим самым постоянно будет поддерживаться состояние повышенной возбудимости и тех нейронов, в синапсах которых замыкается временная связь, т.е. постоянно будет поддерживаться проходимость этих синапсов.

Другие авторы полагают, что повышение синаптической проводимости обусловлено процессом миелинизации пресинаптических терминалей, который возникает под влиянием нейроглии (главным образом, олигодендроцитов). Эти изменения происходят в пресинаптических участках нервных волокон, по которым возбуждение, вызванное индифферентным раздражителем, достигает «недействующих» («потенциальных») синапсов на телах вставочных нейронов коркового представительства безусловного рефлекса. Исходно эти синапсы непроходимы для импульсов, потому что пресинаптический участок нервного окончания лишен миелиновой оболочки, вследствие чего электротоническое распространение токов действия в этом участке проходит с постепенным ослаблением, а ослабленные токи действия вызывают выделение в синаптическую щель сравнительно небольшого количества медиатора, недостаточного для вызова возбуждения следующего нейрона. Это остающееся без внешнего эффекта раздражение вызовет лишь определенные физико-химические изменения («химический след») как в мембранах нервных окончаний, так и в межклеточной среде вокруг них. Этот след постепенно затухает в течение нескольких минут. Исходя из представлений о том, что процесс миелинизации нервных волокон является функцией нейроглиальных клеток – олигодендроцитов, окружающих нейроны и контактирующих с их поверхностями, полагают, что процесс миелинизации происходит так, что отросток олигодендроцита замыкает голый осевой цилиндр, спирально закручиваясь вокруг него. Миелинизация заканчивается на определенной стадии онтогенеза, однако способность олигодендроцитов к миелинообразованию сохраняется и в зрелой центральной нервной системе, особенно повышаясь при раздражении олигодендроцитов, т.е. при длительной деполяризации их мембран. Благодаря этому создаются благоприятные условия для электротонического распространения тока действия: до синапсов будет достигать более сильный ток, вызывая выделение большого количества квантов медиатора, достаточного для возбуждения следующего нейрона и появления соответствующей реакции. Так замыкается временная связь, т. е. синапс из непроходимого («потенциального») превращается в проходимый («актуальный»), и индифферентный раздражитель начинает вызывать реакцию. В дальнейшем эта связь по мере увеличения количества слоев во вновь образовавшейся миелиновой оболочке становится все более прочной и совершенной.

Дата добавления: 2015-07-15