Интернет-журнал 'Домашняя лаборатория', 2008 №5 - Смолин

В заключении хочется отметить, что сейчас происходит поворот от представления цивилизации как биосферопользователя, к представлениям о том, что все-таки существуют некие биосферные механизмы регулирования человеческой деятельности.

Нейробиология и генетика поведения

Лекция № 23

Наверняка каждый бывавший в селе человек видел, как утята бегают за своей мамой-уткой. Откуда же они знают, кто их мама и за кем надо бежать? Здесь мы сталкиваемся с явлением импринтинга (от англ. запечатлевать), описанным лауреатом Нобелевской премии Конрадом Лоренцом. Дело в том, что если утенок или цыпленок увидит в течение нескольких часов после вылупливания движущийся объект, он будет бегать за ним всю оставшуюся жизнь. Образ движущегося объекта впечатывается в их зрительную память, это достаточно разумное эволюционное приспособление, так как в обычной жизни первое, что видят цыплята, — это их мать, которая обеспечивает их существование. Каким же образом формируются нервные связи, с помощью которых мы можем что-то запомнить? Об этом и пойдет речь.

Если вам нужно узнать время, вы можете взглянуть на часы и некоторое время помнить, что показывали стрелки часов. Но одного мимолетного взгляда на часы не достаточно, чтобы запомнить на всю оставшуюся жизнь, что именно в этот момент было столько-то времени, разве что в это время произойдет что-то необычное. При неоднократном повторении какого-либо действия оно запоминается и уходит в так называемую долгосрочную память. Механизмы формирования кратко- и долгосрочной памяти разные. Они были изучены на разных животных, от улиток до обезьян, и знания, полученные в экспериментах, применяются сейчас в медицине, а также помогают понять, что происходит, как происходит развитие ребенка. Каким образом формируется память? Со школы известно, что мозг состоит из нейронов, у которых имеется тело, длинный отросток аксон и короткие отростки дендриты, которые получают сигнал от других нейронов или рецепторов, обрабатывают его и посылают его дальше. При рождении животного часть нервных путей уже сформирована, это то, что называют безусловными рефлексами или комплексами фиксированных действий. Это набор реакций на какой-либо стимул, для которых не требуется обучения. На прошлых лекциях упоминалось, что у ребенка при рождении есть набор рефлексов, например хватательный и сосательный. На основе врожденного поведения формируется дальнейшее поведение. Мы разберем формирование нервных связей на примере зрительных, то есть, как ребенок или котенок учится различать объекты. При рождении животное не способно различать объекты, хотя способно реагировать, например, на яркий свет, так как глаза у котенка устроены так же, как и у взрослой кошки, есть связи, передающие сигнал от светочувствительных клеток к зрительной коре, но структура этих связей еще не такая, как у кошки. После рождения, та часть коры головного мозга, которая отвечает за зрительное и другие типы восприятия претерпевает изменения. От глаз, светочувствительных клеток идут цепи нейронов к структуре, называемой боковым коленчатым телом, от них сигналы поступают к зрительной коре противоположной части головного мозга. Сигналы, поступающие в мозг, обрабатываются на каждой стадии поступления, то есть если в самом глазном яблоке миллионы рецепторов, то в боковом коленчатом теле на порядок меньше нервных связей, соответственно каждый нейрон получает сигнал от нескольких рецепторов. То, как формируется распознавание объектов в зрительной коре, было изучено на котятах. У новорожденного котенка, зрительные нервные связи перекрываются, но по мере накопления зрительного опыта оказывается, что глаза посылают сигналы в не перекрывающиеся участки коры, то есть остаются только те чередующиеся связи, которые идут только к одному глазу отдельно. Эти структуры называются колонками глазодоминантности. На слайде они показаны на примере макаки. Они видны, потому что макаке ввели в глаз радиоактивное вещество, которое распространилось только в тех клетках коры, которые отвечают за зрительное восприятие, то есть, имеют нервные связи с этим глазом.

Колонки глазодоминантности в стриарной коре макаки формируются в результате конкуренции потоков нервных импульсов от левого и правого глаза

Hubei and Wiese 1977

Исследование того, как сигнал с сетчатки глаза последовательно передается в структуры мозга и как он обрабатывается в каждой из них, что приводит в конечном итоге к восприятию изображения, провели лауреаты Нобелевской премии Дэвид Хьюбел и Торстен Визел. Они провели серию экспериментов по так называемой монокулярной депривации у котят. Один глаз у новорожденного котенка закрывали на несколько недель. Сигналы от этого глаза поступали в кору. Было показано, что соответствующие этому глазу колонки глазодоминантности были очень узкими, в то время как от другого — очень широкими. Таким образом тот глаз, который был закрыт, представлен в коре головного мозга небольшим числом нервных связей. Если через месяц глаз открыть, то новые нервные связи уже не образуются, хотя глаз и нервные структуры не повреждены. Это говорит о существовании сензитивного (чувствительного) периода, когда клетки компетентны и способны образовывать нервные связи, соответствующие получаемому опыту. После этого периода такие нервные связи не образуются. До того, как были проведены эксперименты с котятами, когда врачи лечили врожденную катаракту (помутнение хрусталика) у детей, операцию откладывали на более поздний возраст, когда ребенок легче перенесет операцию. В результате после операции зрение не восстанавливалось. После проведения опытов с котятами стало ясно почему — у детей проходил сензитивный период, когда еще был смысл проводить операцию. Если котятам в течение сензитивного периода закрывать глаза по очереди, то у котят не формировалось бинокулярное зрение, то есть они видели, но не могли оценить перспективу.

Есть концепция, основанная на ряде проведенных опытов, что процесс образования колонок глаза доминантности является конкурентным, идет конкуренция потоков сигналов от левого и правого глаза. Так же конкурентный характер носит формирование связей в других участках коры, принимающих сигналы от других рецепторов. Представление о конкурентном формировании нервных структур мозга разработана Джеральдом Эдельманом (лауреат Нобелевской премии за серию работ по структуре антител). Эдельман показал, что при поступлении сигналов между нейронами, которые активируются одновременно, образуются нервные связи. Они образуют группы нейронов, которые на следующем этапе обучения животного, образуют группы более высокого порядка и так далее.

Схема различных типов связей в группах нейронов

Edelman 1987

Таким образом, в результате приобретения жизненного опыта изначально одинаковые нейроны делятся на группы, которые взаимодействуют и работают вместе при поступлении какого-либо сигнала. Например, если одна группа нейронов отвечает за вкус, другая — за цвет, третья — за запах, четвертая — за форму, то при возникновении связей между этими группами можно создать целостное представление о яблоке. На каждом этапе