Введение к работе
Актуальность темы. Анализ современного состояния изучения вцс-пе'й'-.нервной деятельности животных на нейронном уровне обнаруживает три основных линии научных исследований. Первая связана,глав-чым образом, с анализом индивидуальных пластических свойств нейро--юв, с целью использования получаемых данных для объяснения меха--шзма " замыкания" временной связи в целостном мозге(Соколов, 1981; Воронин,1982; Максимова, Балабан,1983; Kandol ,1980; ,Voody ,1980 и мн.др.). Вторая направлена на обнаружение в различных функционально специализированных областях мозга перестроек импульсной активности(ИА) нейронов, коррелирующих с различными типовыми поведенческими реакциями,что стало возможным в связи г развитием техники регистрации такой активности у бодрствующих кивотных(Швырков,1083; Фадеев, 1988; iSiater ,1980; Rolls, 1982; Наеппу et al,, 1988 и мн.др.). Третья,и самая обширная по накопленному фактическому материалу.линия исследований связана с раскрытием клеточных и системных механизмов приобретения и реализации умовнорефлекторних навыков адаптивного поведения животных(Гасанов и др.,1983; Судаков,1984; Сторожук,198б; Котляр, 1988; Суворов,Т988; Oebriel et al», 1980; Ihompeon et al., 1982; Hakamura, 1987 и мн.др.).
На фоне всех этих исследований в отношении классического секреторного (слюнного) условного рефлекса сложилась по меньшей мере странная ситуация. Метод, который по замыслу И.П.Павлова должен был служить основой для раскрытия физиологических механизмов поведения, остался до последнего времени вне поля зрения нейрофизиологов. В результате сейчас, т.е. спустя более 50 лет после смерти И.П.Павлова и более 30 лет после появления первых работ по регистрации импульсной активности у бодрствующих животных, клеточная нейрофизиология не располагает данными о конкретных нейрофизиологических закономерностях физиологии высшей нервной деятельности, сформулированных ее создателем - И.П.Павловым на основе тщательного изучения слюноотделительных условных рефлексов. В значительной мере остаются неизвестными нейрональные основы "движения основных нервных процессов" ,их иррадиации, концентрации и взаимной индукции, эффектов последовательного торможения и следового растормаживания условных рефлексов. Нет сколько-нибупь оп-регеленных данных о механизмах различных видов условного то-може-чи? классических рефлексов, которые наряду с проблемой здоыкешя временной связи я ал ст тс я центральными вопросами Физиологии в» <:;,» Я
4.
нервной деятельности.
Вышеизложенное свидетельствует о том, что одним из ключевых моментов текущего развития физиологии высшей нервной деятельности должно стать освоение богатого фактического материала, накопленного школой И.П.Павлова, раскрытие его нейрофизиологического содержания и современная интерпретация, которые можно осуществить только путем установления клеточных коррелятов основных условнорефлек-торннх явлений, связанных с реализацией условного слюнного рефлекса у собак. Идея не только концептуального, но и методического объединения физиологии высшей нервной деятельности с современной клеточной нейрофизиологией для раскрытия нейронных основ клас .ичае-ких закономерностей условнорефлекторной деятельности возникла в конце 70-х годов в Физиологическом отделе им.И.П.Павлова Института экспериментальной медицины, единственный путь реализации этой идеи заключался в полном совмещении павловской методики слюнных усло.вных рефлексов с мультиэлектродной регистрацией импульсной активности нейронов в различных зонах мозга в рамках единого методического комплекса. Отсутствие прототипов комплекса как в нашей . г,гоане, так и за рубежом потребовало специальную разработку метода многочасовой регистрации активности нейронов у нефиксированных собак с параллельной регистрацией слюнной секреции. Только после его освоения стало возможным осуществление этой работы.
Проведенное исследование выполнялось в рамках Всесоюзной программы " Мозг" АН СССР и комплексной программы" Фундаментальные науки - медицине" АН и АМН СССР.
Цель и зацачи исследования. Целью настоящей работы являлось выявление на нейрональном уровне принципов и закономерностей центральной организации классического(слюнного) условного рефлекса у собак.
В соответствии с этим в ходе проведения исследований решались следующие основные задачи:
1. Провести анализ системных и клеточных механизмов организа
ции на неокортикальном уровне положительного условного рефлекса
и процессов условного торможения на примере дифференцировки условного рефлекса.
-
Сопоставить особенности региональной и нейрональной организации механизма " движения основных нервных процессов" по И,П.Павлову в сомато-сенсорной и лобной коре мозга.
-
Выявить нейродинвдачеокие закономерности активации под-
5.
креплягсщих систем мозга и их роль в условнорефлекторной деятельности.
4.Определить информационные параметры в "структуре межимпульсных интервалов(МИИ) активности отдельных нейронов, определяющие их участие в обеспечении условнорефлекторной деятельности.
5. Изучить возможности детерминации функциональной связи между нейронами мозга на основе структуры МИИ нейронов и определить ее роль в установлении новых условнорефлекторных связей.
Научная новизна.В рамках единого исследования впервые реализован комплексный экспериментальный подход, совмещающий достижения регистрации импульсной активности отдельных нейронов у бодрствующих животных и методов выявления функциональных связей между нейронами мозга с методом классиче'ких секреторных условных рефлексов с последующим, с целью коню зтизации механизмов, моделированием обнаруженных закономерностей на"простых нервных системах". Благодаря применению этого подхода,установлены ранее неизвестные региональные и функциональные нейроди-намические отношения, лежащие в основе условнорефлекторной деятельности: формирование нейронных эквивалентов условной секреции слюны и ее торможения в лобной коре; воспроизведение сенсорных признаков прошлого условного сигнала в специфической проекционной зоне коры и параллельное возникновение амбивалентных информационных состояний у нейронов лобной коры, сопровождающие процессы смены условнорефлекторной деятельности; генеЗ'В мозге специального " сигнала подкрепления", связанного с "эмоциональным перекиванием" животного. Впервые показано, что структура^ состав) межимпульсных интервалов в разрядах нейронов определяет "вектор" или направление их функциональной связи о другими нейронами мозга. Установлено, что в основе этого процесса лог.ит неизвестное ранее свойство циклического изменения воз-буг.пмостк нейронов, возникающего у них после первичной подпоро-говсР деполяризации. На основе объединения всей совокупности полученных результатов сформирована новая гипотеза информационного переключения условнорефлекторной деятельности и ". замътд-тельной" функции мозга,
Практическая значимость. Проведенное исследовеяие носит, а основном, фундаментальный характер, так как оно нацелено на аяялиз центральной организации классического слюнного условного рефлек-';ь.,:;-5Хя.м:;:.'!.-се условного торможения,"замыкателыюй" функции von-г2 г гг,гз?г.;"> :.азв*/Т!. нч современном уровне оснорнно полотеигг
б.
учения о высшей нервной деятельности И.П.Павлова. В нейропсихоло-гическом аспекте полученные результаты по существу раскрывают закономерности нейродинамических отношений в лобной коре мозга и, таким образом, могут послужить основой для создания новых концепций в области патогенеза и компенсаторных процессов ряда нервн психических заболеваний, например, " лобного синдрома" человека. Получены принципиально новые результаты, раскрывающие реализацию в мозге мнестических функций (кратко-и долгосрочной памяти, процессов смены программ поведения), что позволяет решать ряд принципиальных проблем памяти на качественно новом уровне исследсвани! Выявленные принципы организации классического рефлекса и динамики функциональных связей нейронов могут быть использованы в качестве отправных при конструировании нейрокомпьютеров. Использование разработанных методов анализа импульсной активности нейронов в практике нейрофизиологических исследований позволяет значительно повысить информативность отдельного эксперимента и разрешающую способность существующих методов. Исследование существенно расти-. ряет существующие представления по всем разделам преподаваемого в ВУЗах курса физиологии ВИД, в связи с чем создается основа для глубокого пересмотра этого курса, преподавания данного предмета студентам и создания новых учебных пособий.
Положения, выносимые на защиту.
I. Раскрытие нейрофизиологического содержания установленных на основе динамики периферических слюнных условных рефлексов основных закономерностей физиологии высшей нервной деятельности (условное торможение, " движение основных нервных процессов" и их проявление в виде последовательного торможения и следового растормаживания рефлексов),сформулированных И.П.Павловым,является необходимым етапом современного развития нейрофизиологии и "инструментом", позволяющим выявить неизвестные ранее механизмы центральной организации поведенческих актов.
2. Построение нейродинамических отношений в мозге при классическом условном рефлексе не является простым процессом запуска "центра" безусловного раздражителя условным сигналом, а представляет собой сложную и координированную деятельность большого числа специализированных систем, каждая из которых вносит свой вклад в организацию ^"'тарн01"0 периферического рефлекса. Активность у части этих систем постоянно возникает при действии уелов-
эго раздражителя, у другой части детерминирована мнестическими, ^утренними процессами, имеющими свой аналог в психической актив-ости человека. Универсальность классического рефлекса закличается е только в возможности объяснения внешних проявлений приспособи-ельной деятельности организма, но и в возможности полного анализа ейродинамических процессов, организующих ату деятельность.
3.8 основе периферических эффектов последовательного торможе-іия и следового растормаживания условных секреторных рефлексов іа центральном уровне лежит активный процесс перехода с одной извле-саемой из долгосрочной памяти программы поведения на другую,проти-зоположную по своему периферическому эффекту. Этот процесс характеризуется вклгачением/вьшючением специализированных систем мозга, пая активации которых значимыми являются не конкретные сенсорные признаки текущих раздражителей, а их отношения с прошлыми и будучими событиями в сфере безусловного подкрепления,
-
Классические феномены " движения основных- нервных процессов" по И.П.Павлову не связаны с «роцесеан» иррадиации волн возбуждения или торможения по субстрату сшафо-ешсорной коры, & обусловлены регулируемой текущим подкрвпяенйвй/иэподкреплением активацией механизма изменения сигнальной еначийоети условных раздражителей в контексте их территориаяьной(пространственной) принадлежности к классу полояительных(подкрепяяемых) й диффервБцировочяых (неподкрепляемых) раздражителей внешней среди. Происходит наблюдаемый в отдельном опыте,' в отдельной реализации условного рефлекса процесс переобучения животного адекватному реагированию на стимуляции участков кожи, ближайших к подкрепляемой(неподкрепляемой) зоне тактильного условного раздражителя.
-
w Замыкательная " функция мозга может реадизовываться в мозге путем фиксации в нейронах новых интервалоселективных свойств реагирования и соответственно этим свойствам-заключаться в возникновении новой системы межнейрониых связей. Роль подкрепления заключается в формировании в ЩС некоего " управляющего сигнала", вероятно, пептидной природы, приводящего к фиксации, имеющихся или активированных в данный момент межнейронных связей. Соответственно, воспоминание или актуализация энграммы долгосрочной памяти представляет собой восстановление с помощь» этого сигнала в прежнем виде всей системы межнейронных отношений вплоть до выхода(секреция, движение). ii формировании управляющего сигнала участвует специализированная мозговая система оценке подкг.эплония'ССП), кортикальное представительство которой находится в ложной норе мол г».
8.
Апробация диссертационного материала . Материалы диссертации докладывались и представлялись на Всесоюзных съездах Физиологического общества им.И.П.ПавловаШУ - Баку, 1983; ХУ- Кишинев, 1987); Всесоюзных конференциях по нейрокибернетике(УШ,1Х - Ростов-на-Дону, 1983; 1989); 27-ом Всесоюзном совещании по проблемам высшей нервной деятельности(Ленинград,1984); Всесоюзной конференции " Сов ременные проблемы физиологии нервной и мышечной систем(Тбилиси, 1985); 1-й Всесоюзной конференции"Принципы и механизмы деятельности мозга человека"(Ленинград,1985); Всесоюзном симпозиуме"Ней-рональные механизмы коркового торможения(Киев,1985); Всесоюзной конференции"Бионика и биомедкибернетика - 85(Ленинград, 1985); Пленумах Научного Совета АН и АМН СССР и Президиума СО АМН СССР (3-ем "Сенсомоторная и кинестетическая чувствительность в норме и патологии", 4-ом "Механизмы повреждения и восстановления целостного мозга" - Иркутск,1985; 1987); 1-ой, посвященной 100-летию со дня рождения акад.АН УССР Д.С. Воронцова, и 2-й Всесоюзных конференциях по нейронаукам(Киев,І98б; 1988); Всесоюзной конференции, посвященной 50-летию Института физиологии им.И.С.Бери-ташвили АНГССР(Тбилиси,1986); 30-м Всемирном физиологическом конгрессе(Канада, Ванкувер,1986); 2-м Всемирном конгрессе по нойронаукам ИБРО(Венгрия, Будапешт,1987); Международной школе -семинаре Интермозга " Обучающийся моэг"(Репино,1987); Междуна-родном симпозиуме " Интегративная деятельность нейрона: молекулярные основы", посвященном 90-летию со дня рождения П.К.Ано-хина(Ялта,Т988); 2-й Всесоюзной конференции " Простые нервные системы и их значение для Теории и практики(Казань,1988); на заседаниях секции ВИД московского и ленинградского отделений Всесоюзного физиологического общества.
Апробация диссертации состоялась 8 июня 1989года на научном заседании Физиологического отдела им.И.П.Павлова НИИЭМ АМН СССР.
Публикация результатов исследования. Основные положения и результаты диссертации изложены в 31 печатной работе.
Объем и структура диссертации.Общим объем диссертации составляет страниц машинописного текста. Работа проиллюстрирована рисунками и таблицами. Список литературы включает в себя работ отечественных и зарубежных авторов. Диссертация состоит иэ введення, обзора литературы, описания методов исследования, четырех глав с изложением полученных результатов и их соотношением с литературными данными., эак-
9.
очения и выводов.