Поведенческие и нейрональные механизмы формирования условного рефлекса

13. Струков А.И., Хмельницкий O.K., Петленко

B.П. Морфологический эквивалент функции (Методологические основы) / АМН СССР. - М.: Медицина. 1983. - 208 с.

14. Хватова Е.М., Семенова Т.С. Энзимная характеристика митохондрий сердца при глубокой гипоксии животных в условиях нарастающей гипоксии // Вопросы экспериментальной хирургии: Труды Горьк. мед. ин-та. - Горький. 1976. - В. 77. -

C. 117-122.

15. Smuts J.C. Holism and evolution. - N.-Y., 1926. -240 p.

MODERN IDEAS OF INTCONNECTION OF STRUCTURE AND FUNCTION IN TERMS OF

I.P.PAVLOV'S NOTIONS

A.Ph.Astrahantsev, P.A. Astrahantsev,

N.M.Krupnov

In the paper there are presented modern ideas of interconnection of structure and function.

These ideas are based on scientific notions, worked out by academician I.P.Pavlov's school.

The literary data of methodological character served as a basis for distinguishing levels of biological substance organization. There are also given factors which have an objective influence on the conecl evaluation of real interconnection of structure and function. These are the following factors: the norm of reaction, the level of research and adequacy of methods of research, the combination of different methods of research, retardation, the mosaic character of structural differences. There is emphasized a special role of the cell level of organization and methods of cytological research in investigating of the interconnection of structure and function of biological objects.

© Б.В.Журавлев, Е.П.Муртазина, 1999 УДК 612.821.6

ПОВЕДЕНЧЕСКИЕ И НЕЙРОНАЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ УСЛОВНОГО РЕФЛЕКСА

Б.В.Журавлев, Е.П.Муртазина

НИИ нормальной физиологии имени П.К. Анохина РАМН, Москва

В данной работе исследовались поведенческие и нейронные механизмы формирования условнооборонительного рефлекса у крыс и кроликов. Выявлена определенная закономерность в динамике структуры разрядной деятельности нейронов гиппокампа при обучении. Обнаружена корреляция межсигнальной активности с результативностью поведения при обучении, центрально-периферические показатели которой повторяли параметры, наблюдаемые при сочетании условного и подкрепляющего раздражителей.

Учение об условных рефлексах И.П.Павлова выявило практически революционный факт для понимания целенаправленного поведения - сигнальный предупредительный характер центральных механизмов, которые позволяют предвосхищать ход будущих событий в целях наилучшего приспособления к окружающей среде. Многочисленные исследования школы И.П.Павлова дали возможность объективизировать показатели поведенческой деятельности при формировании условных рефлексов, что в свою очередь послужило основой для постановки вопросов в изучении центральных механизмов процессов обучения [8].

П.К. Анохиным [1], в развитии представлений И.П.Павлова, был предложен системный подход к изучению целенаправленной деятельности животных и человека, включающий в себя анализ механизмов опережающего отражения действительности и оценки полученных результатов поведенческой деятельности за счет обратной аффе-рентации (аппарат акцептора результата действия).

Наши предыдущие исследования показали, что оценка пространственно-временной структуры деятельности систем различного уровня (поведенческого, вегетативного, нейронного) является наиболее информативной для ис-

следования закономерностей формирования условных рефлексов [3].

В связи с этим, целью настоящей работы явилось изучение пространственно-временной структуры поведенческой деятельности крыс при обучении активно-оборонительному навыку и динамики нейронных, вегетативных и актографических показателей в процессе выработки условно-оборонительного рефлекса у кроликов.

Материал и методы

Обучение активно-оборонительному навыку у крыс проводилось в 4-х камерном лабиринте. Каждый отсек лабиринта сообщался с двумя соседними, был снабжен лампочкой и металлическим решетчатым полом, через который подавалось электрокожное раздражение (ЭКР) силой 100 мкА. Крыса обучалась перебегать из исходного отсека при выключении в нем лампочки в отсек, в котором включалась лампочка и отключалось ЭКР. Текущий цикл завершался и началом следующего считался момент, когда крыса перебегала в освещенный отсек по любой траектории. Время от включения условного сигнала (переключение лампочек) до попадания крысы в правильный отсек считалось латентным периодом. Весь процесс

управления условными и подкрепляющими сигналами, регистрация траектории перемещения крысы и вычисление латентного периода осуществлялось ЭВМ «Эппэл-2». Кроме этого измерялось количество вокализаций, ориенти-ровочно-исследовательских реакций на условный сигнал, а также количество, траектория и время появления межсиг-нальных побежек (МСП).

Эксперименты проведены на 14 крысах самцах линии Вистар. Процесс обучения длился 6 дней, по 16 циклов в день.

Вторая серия экспериментов была проведена на 26 кроликах самцах породы Шиншилла весом от 2,7 до 3,8 кг. Программа экспериментов включала регистрацию электрокардиограммы,

дыхания и разрядной деятельности нейронов поля СА1 и САЗ гиппокампа методом внеклеточного отведения потенциалов стеклянными микроэлектродами по стандартной методике у мягко иммобилизированных кроликов. Проводилась выработка оборонительного условного рефлекса - 40 сочетаний звукового сигнала и электрокожного раздражения (ЭКР) задней лапы животного, длительностью 70 мсек и силой тока 20 мкА.

Обработка нейронной активности и ЭКГ производилась на ЭВМ «Эппел-2» и включала вычисление стандартных статистических параметров, построение гистограмм распределения межспайко-вых и RR интервалов. Для проверки достоверности различий использовали параметрическую статистику и факторный анализ.

Результаты и их обсуждение

Результаты первой серии экспериментов показали, что с 3-4 дня обучения увеличивается результативность (появляются первые акты избегания, уменьшаются латентные периоды реакции избавления, снижается ошибочность), увеличивается количество ориентировочно-исследовательских реакций и вокализаций на условный сигнал.

Особый интерес представлял анализ динамики количества межсигналь-ных побежек и избеганий при обучении. Динамика МСП характеризовалась практически исчезновением их к 3-му дню с последующим увеличением к концу обучения. Кроме того, нами обнаружена преимущественная встречаемость МСП в результативных циклах (69,2%).

По мнению К.Зелиньски [4], «...первые реакции избегания являются межсигнальными реакциями избавления...», и, следовательно, различные способы увеличения межсигнальной активности (применение длинных периодов изолированного действия условного раздражителя, увеличение двигательной активности животных и др.) способствуют выработке рефлекса избегания.

Обнаруженные различия во взаимосвязи результативности с временем начала межсигнальной побежки, позволяют полагать, что 15-25 сек является оптимальным периодом времени для воспроизведения формирующей программы избегания, выполнение которой, согласно представлениям П.К.Ано-хина [1], запускается комплексом обстановочной афферентации и нарастающим мотивационным возбуждением.

Таким образом, полученные данные позволяют прийти к выводу о том, что межсигнальная активность в конце обучения может отражать срыв предпусковой интеграции, возникающей в оборонительной обстановке при ожидании пускового стимула. П.К.Анохин выделял предпусковую интеграцию как состояние, созданное совокупностью афферентных обстановочных раздражителей и мотивационным возбуждением. Ориентировочно-исследовательское поведение способствует активному подбору афферентаций и сопоставлению ее с доминирующей мотивацией и с элементами прошлого опыта.

На основе анализа электрической активности 82 нейронов дорзального гиппокампа была выявлена определенная закономерность, которая проявлялась в том, что по мере сочетания звукового тона и ЭКР интервальные характеристики разрядной деятельности клеток изменялись в несколько этапов (рис. 1).

Прежде всего необходимо отметить, что изолированное электрокожное раздражение вызывает у нейронов в течение 1000-1200 мс регуляторную импульсную активность, после которой наблюдается выраженная пачкообразная активность и на интервальной гистограмме доминируют значения меж-импульсных интервалов в области от 1 до 50 и от 100 до 200 мс.

При сочетаниях тона и ЭКР на первом этапе (1-7 сочетания) наблюдается появление пачек импульсов на фоне звукового тона с теми же интервальными характеристиками на гистограмме (1-50 и 100-200 мс). Важно отметить,

что в дальнейшем (10-13 сочетания) пачки импульсов в большей степени были приурочены к моменту включения тока и периоду, непосредственно предшествующему ЭКР.

Второй этап (после 10-14 сочетаний) характеризовался тем, что феномен пачечной активности исчезал, и разрядная деятельность нейронов приобретала регулярный характер. На интервальной гистограмме эта активность представлена доминированием одного интервала, лежащего в области 100-200 мс, 5-10 мс или других значений.

На последнем этапе (после 35-40 сочетаний) можно наблюдать на фоне звукового тона и ЭКР торможение разрядной деятельности нейронов. Таким образом, анализ интервальных характеристик активности нейронов гиппокампа позволил выявить феномен пачечной активности (бимодальное распределение на интервальной гистограмме), проявляющийся на первых стадиях выработки оборонительного поведения на фоне звукового тона, имеющего сигнальное значение будущего ноцицеп-тивного стимула. На последующих стадиях выработки условного оборонительного рефлекса эта активность сменяется регулярной, характерной для подкрепления.

В экспериментах с выработкой пассивно-оборонительного поведения у кроликов было показано, что в межсиг-нальные периоды возникают кратковременные изменения комплекса показателей разрядной активности нейронов гиппокампа, сердечной деятельности и дыхания, имеющие высокую степень корреляции с аналогичными показателями при действии условного и подкрепляющего раздражителей (рис. 2). При этом структура распределения межим-пульсных интервалов преимущественно имела регулярный' или тормозный характер, для кардиоинтервалограммы была характерна резко выраженная бра-дикардия, а для дыхания - кратковременное учащение.

5 СОЧ. 15 СОЧ. 25 соч. 35 соч.

О

Б

УС

ЭКР

Рис. 1. Динамика паттерна активности нейрона гиппокампа (А) и гистограммы распределения межим-пульсных интервалов (Б) при выработке оборонительного условного рефлекса.

“М

иииптаиют

Ш1МЯВ

100 мс

П1 (I IГ11Т11[| Т|ГГТГ м

I > цЦ^

дошм

100 же

Рис. 2. Воспроизведение в межеигнальный период (Б) центрально-периферического комплекса изменений, наблюдаемого при подкреплении в процессе обучения (А) у контрольного животного.

а, б, в - первые три условные звуковые сигналы, г - 4-й условный сигнал и электрокожное раздражение;

1 - дыхание, 2 - ЭКГ, 3 - активность нейрона гиппокампа, 4 - механограмма раздражаемой задней лапы животного.

В исследованиях А.В.Богданова с соавторами показано, что и концентрация сопряженных импульсов нейронов, отражающая их функциональные связи, отмечается в моменты, приуроченные к совершению животными межеигналь-ных реакций или к совершению условно-рефлекторной реакции [2].

Известно, что воспроизведение навыка из памяти может инициировать-

8. Зак. 2450.

ся пусковыми стимулами или мотива-ционным возбуждением в условиях той же обстановочной афферентации. На основе доминирующего мотивационного возбуждения, согласно П.К.Анохину, извлекаются из памяти возможные пути ее удовлетворения. Это состояние отражается в специфической организации структуры импульсного потока нейронов в виде «пачечной» активности [3] в

условиях доминирующей мотивации и при рассогласовании, вызванном внезапной подменой подкрепления [9] и угашении [5]. Электроэнцефалографи-ческий коррелят такой активности в виде мультипликации медленных ЭЭГ-волн был обнаружен А.И.Шумилиной [10] при отмене болевого подкрепления. Описанные электрофизиологические феномены связывались этими авторами с активацией процессов реверберации возбуждений. Согласно полученным ранее нами нным [6, 7], процесс реверберации может выражаться не только через нерегулярно-пачечную активность нейронов, но и в виде регуляризации разрядной деятельности, которая отражает процессы согласования.

Следовательно, в процессе реверберации, лежащей в основе воспроизведения, кроме мотивационных возбуждений включаются и циркулирующие возбуждения, связанные с удовлетворением этого мотива, т.е. с условиями получения данного полезного приспособительного результата.

Выводы

1. Межсигнальная активность животных при формировании условного рефлекса может являться физиологическим механизмом закрепления вырабатываемого навыка.

2. В динамике интервального паттерна нейронов в процессе выработки условного рефлекса находят отражение принципы опережения и минимизации функций.

3. Центрально-периферический комплекс возбуждений при межсигнальной активности имеет характеристики, наблюдаемые при сочетании условного и подкрепляющего раздражителей.

ЛИТЕРАТУРА

I. Анохин П.К. Биология и нейрофизиология условного рефлекса. - М.: Медицина, 1968. - 548 с.

2. Богданов А.В., ГалаишнаЛ.Г., Волков И.В. Распределение в реальном времени сопряженной импульсации нейронов коры мозга кошек при обучении // Журн. высшей нервной деятельности. - 1996. - Т. 46, в. 2. - С. 291-299.

3. Журавлев Б. В. Статистические показатели пищевого мотивационного возбуждения при анализе фоновой активности нейронов латерального гипоталамуса // VII Всесоюз. Конф. по Электрофизиологии ЦНС: Тез. докл. - Каунас. 1976. - С. 44.

4. Зелиньски К. Избегание: рефлекс или система рефлексов? // Десятые Сеченовские чтения. - М., 1987.-С. 3-29.

5. Лосева Т.Н. Нейрональная организация ориен-тировочно-исследовательской реакции, возникающей при экстремальном неподкреплении условной реакции.: Автореф. дис. ... канд. мед. наук. - М. 1976. - 25 с.

6. Муртазина Е.П., Журавлев Б.В. Влияние иммуномодулятора нейротропина на обучение крыс активно-оборонительному поведению // Журн. высшей нервной деятельности. - 1994. - Т. 44. в.

6. - С. 974-979.

7. Муртазина Е.П. Особенности нейрофизиологических механизмов выработки и угашения оборонительного поведения у кроликов в условиях действия иммуномодулятора нейротропина// Журн. высшей нервной деятельности. - 1995. -Т. 45*. в. 4. - С. 748-756.

8. Павлов И.П. Дпадцатилетний опыт объективного изучения высшей нервной деятельности (поведения) животных // Поли. собр. соч. - М.; J1. 1951. - Т. 3. кн. 1. - 605 с.

9. Шамаев Н.Н. Импульсная активность нейронов орбитальной коры и латерального гипоталамуса при пищевом поведении // Нейроны в поведении. Системные аспекты. - М.. 1986. - С. 35.

10. Шумилина А.И. Экспериментальный анализ методом вызванных потенциалов корково-подкорковой реверберации возбуждений // Интегративная деятельность нервной системы и патология.-М.. 1968.-С. 276.

BEHEYIORAL AND NEURONAL MECANISMS OF CONDITIONING REFLEX FORMATION

В. V.Zhuravlev, E.P.Murtazina

The research studies the behavioral mechanisms forming conditioned reflex in rats and rabbits. There was established a certain regularity in the dynamics of the structure of hippocampus neurons activity in the process of teaching. There was discovered correlation of intersignal activity with behavioral results in teaching. Its central-peripheral indexes repeated all the parameter, fixed in the situation of the combination of the conditioned and reinforcing stimulus.