Относительно любой концепции, которая существует в голове у ученого, который регистрирует импульсацию нейрона животного или активность отдельных мозговых структур при картировании мозга человека. Если следовать логике упомянутых работ, выходит, что нейроны могут быть специализированы относительно эмоций, относительно сознания, относительно двигательных программ, относительно переработки сенсорной информации, относительно зеленого крокодила, относительно романтической любви, относительно чего хотите. Хотите - относительно патриотизма. Такой анализ показывает, что вообще, по всей видимости, это совершенно произвольная классификация. Активации нейронов явно связаны с поведением, их специализация обнаруживается во многих экспериментах. Но все-таки, явно неверен подход, в соответствии с которым нейрон может оказаться специализирован относительно любой придуманной концепции. И вот теперь, пожалуйста, следующий рисунок. На этой фотографии Вячеслав Борисович Швырков. Я более талантливого человека не встречал.
К.А. И я тоже.
Ю.А. Швырков разработал представление о специализации нейронов, на котором, собственно, мы и основываемся. Это представление о системной специализации нейронов. Нейроны специализированы поведенчески или системно. То есть, они специализированы не относительно каких-то вымышленных функций, которых можно набрать сколько угодно, читая оглавления учебников по психологии и физиологии или художественную литературу. Нейроны специализированы (может быть, это скучнее, но зато - правда) относительно систем, направленных на достижение тех или иных результатов поведения. Разного поведения. Поэтому и специализации - разные.
Теперь возникает вопрос: откуда берется эта специализация, что это такое? И кто заставляет нейроны работать вместе (мы уже говорили, что активирующийся нейрон представляет целую группу), чтобы достичь какого-то поведенческого результата? Неужели мой нейрон знает о том, что мне необходимо взять стакан воды или сорвать цветок?
Для того чтобы подойти к ответу на этот вопрос, я зачитаю замечательную цитату из книги Чарльза Шеррингтона (Charles Sherrington). Это лауреат Нобелевской премии и работа его, из которой взята цитата, была опубликована более полувека назад. Цитата следующая: «Утверждение, что из клеток, составляющих нас, каждая является индивидуально эгоцентричной жизнью, не просто фраза. Это не просто удобный способ описания. Клетка, как компонент тела, не только визуально ограниченный модуль, это отдельная жизнь, сосредоточенная на себе. Она живет собственной жизнью».
Шеррингтон говорит здесь о том, что клетка - эгоистичный организм, у которого есть собственные потребности и собственная жизнь. И она, эта клетка, должна обеспечивать свою жизнь. Пожалуйста, следующий рисунок. В основе представлений о системной специализации лежит, в общем, следующее. Отдельный организм, который вы видите справа, над ним написано «активность» - это человек. Он совершает действие. Действие направлено на достижение определенного результата. В данном случае результат - взятие яблока. А в голове у этого человека нейроны, обеспечивающие данное и другие действия. Внизу довольно сложный рисунок одного из этих нейронов. Этот рисунок демонстрирует, что нейрон выступает, как «организм» в организме. Этот нейрон тоже совершает некое «действие» - разряжается импульсами - для того чтобы получить некий результат. Теперь вопрос: а что это за результат нейрона? Что это за результат у человека или у кролика, понятно. Взять стакан воды, найти морковку и так далее. А у нейрона?
Нейрон, как мы только что выяснили, это живая эгоцентричная жизнь. Он должен обеспечивать свой метаболизм. Свои процессы жизнедеятельности. Откуда может нейрон взять вещества, которые ему нужны для его жизнедеятельности? Из его микросреды. Кто ему в эту микросреду поставляет вещества? Эти вещества ему в среду поставляются из кровяного русла, через церебро-спинальную жидкость и от других клеток.
На схеме видно, что у этого нейрона есть на мембране рецепторы, и когда метаболиты соединяются с рецепторами, то течение метаболических процессов в нейроне меняется, и он может осуществить те или иные жизненно важные функции. Кроме того, есть и такие метаболиты, которые могут проникать внутрь клетки, также влияя на метаболизм и включаясь в метаболические циклы. Следовательно, в определенном смысле активность отдельной клетки построена так же, как и активность целого живого организма. Активация клетки - это не реакция на какой-то стимул, на приход к ней разрядов других клеток. Нейрон посылает по разветвлениям своего аксона импульсы, чтобы изменить свою микросреду и получить те метаболиты, которые ему необходимы. То есть, разрядная деятельность нейрона не реактивна, а активна и направлена в будущее.
Далее. Отдельно живущая клетка, одноклеточный организм, ведет себя следующим образом. Если этой клетке нужен какой-то метаболит для того, чтобы поддержать свою жизнедеятельность, она может сместиться в область повышенной концентрации этого метаболита и его поглотить. Нейрон, как и другие клетки организма, не может обеспечить свои потребности, изменяя среду, в одиночку. Значит, отличие нейрона, во многом похожего на эту отдельную клетку (когда ему нужны метаболиты, он тоже действует, чтобы этот метаболит получить), состоит в том, что он, как и все остальные клетки организма, может обеспечить свои эгоистические потребности, исключительно синхронизируясь, объединяясь с другими эгоистами, которым что-то надо.
И вот теперь смотрите, что получается. Масса эгоистов, активных вместе, работают, разряжаются импульсами. Мы смотрим на организм, например мой, в котором работает масса эгоистов. Что мы видим, наблюдая за мной? Что когда они работают, я делаю что-то, совершаю тот или иной поведенческий акт. Вот я достиг результата. Мои нейроны не знают ни про эту указку, которую я беру, ни про мою руку, ничего. Но когда я достигаю этого поведенческого результата - взятие указки, то в микросреде каждого из нейронов появляются те метаболиты, которые им нужны для жизнедеятельности. За это они и работают. За удовлетворение их эгоистических потребностей. Объединение этих потребностей отдельных клеток в систему извне выглядит как совершение нами целенаправленного поведенческого акта.
Отсюда вопрос, я так понимаю для нас центральный, фантастически важный и наиболее нас интересующий: а как это объединение происходит? Каким образом эгоисты объединяются в системы, то есть, каким образом эти системы формируются? Этот процесс формирования новых систем - есть процесс согласования эгоистов, работающих вместе, который для нас как целых организмов означает возможность достижения результатов новых поведенческих актов. Процесс формирования новых систем называется системогенезом.
Формирование новых систем обеспечивается функциональными и морфологическими модификациями нейронов. В основе морфологических изменений лежит активация генетического аппарата нервных клеток, и здесь Костя является одним из крупнейших специалистов.
К.А. Прежде чем мы перейдем к генам, я бы хотел немного дополнить то, что говорил Юра. Одно из замечательных открытий, сделанных Швырковым, заключалось в том, что активность нейронов в бодрствующем мозге во время поведения связана не с наносимыми организму стимулами, а с результатами и целями поведения. Раньше активность нейронов в мозге изучали в основном после предъявления организму стимулов и строили всю логику работы мозга от стимула к реакции. Вячеслав Борисович, вместе со своими сотрудниками обнаружил, что в ситуациях активного поведения адекватного усреднения работы нейрона относительно стимулов не получается. Стимулом может быть, например, дача условного сигнала, скажем, звука. А дальше животное должно подбежать к кормушке за пищей. И оказалось, что активность нейронов в мозге бодрствующего животного определяется не предшествующим стимулом, а тем, куда движется животное и что будет в конце поведенческого акта. И когда такая команда одновременно работающих «эгоистов» достигает результата, то эта активность прекращается. То есть активации нейронов в поведении, как говорил Швырков, не «постстимульные», а «предрезультатные».
А.Г. Кстати, я обратил внимание, что на том же самом видео с кроликом пик активности приходился не на тот момент, когда он тянет кольцо, а когда он только подходил к нему.
Ю.А. Да, совершенно верно. В рассматриваемом нами поведении много поведенческих актов, сменяющих друг друга. И там не только само потягивание, но подход к кольцу. Поскольку мы его учили сначала подходить к кольцу, то для него результат - не только захват кольца, но и подход к нему.
К.А. Потому что на определенной стадии обучения кролику достаточно было отойти от кормушки в сторону кольца, чтобы получить следующую порцию пищи.
Ю.А. Можно, я теперь добавлю к тому, что сказал Костя? Я бы хотел показать здесь данные, полученные в лаборатории Сэма Дедвайлера (Sam Deadwyler), в Соединенных Штатах. Это совершенно замечательная иллюстрация, которая иллюстрирует соответствие динамики активности нейронов динамике поведения животного. Здесь показано, как работают нейроны у крыс-кокаинисток. Эта крыса приучена к потреблению кокаина, и она кокаинозависима. Ей в вену введен катетер, и в него поступает кокаин каждый раз, когда крыса жмет на педаль. На рисунке вы видите слово «кокаин», а под ним черта. Вот эта черта и обозначает интервал, когда в вену поступает кокаин. Как только крыса получает кокаин, посмотрите, в разрядной деятельности клетки появляется пауза. Пауза означает, что результат достигнут, и на уровне отдельного нейрона достижение результата выступает как прекращение активации, связанной с достижением результата. Дальше посмотрите. Постепенно частота активности нейрона нарастает. Она нарастает, потом…
К.А. Цикл как бы замыкается.
Ю.А. Да и активность становится очень выраженной, то есть ее частоты сильно увеличивается. И как только она становится очень выраженной, активность этого нейрона, то есть велика потребность в кокаине, то, наблюдая за поведением целого животного, мы видим, как крыса бежит, нажимает на педаль и получает кокаин. Как только она получает кокаин, активность нейрона обрывается. То есть, эта активность, как совершенно точно заметил Костя только что, является не постстимульной, а предрезультатной. Эта активность направлена на достижение определенного результата, коим она обрывается. Следовательно, для целого организма достижение результата поведения означает прекращение поведения. А для отдельного нейрона достижение результата означает прекращение его активности. И если для целого организма результат - схватывание чего-нибудь, получение пищи и так далее, то для отдельного нейрона - это получение нужных метаболитов.
А.Г. А по-разному специализированный нейроны не могут входить в конфликт между собой? Одному хочется одного, другому - другого.
Ю.А. Могут. Я думаю, что могут. У нас есть задумки проведения экспериментов и с конфликтами, и с «вытеснениями». Предположим, сформировано некое поведение, которое позже запрещено. Нейроны, специализированные относительно сформированного поведения есть, у них существуют метаболические потребности. Они могут их удовлетворить, только совершив поведенческий акт, а этот поведенческий акт запрещен. Что делают эти нейроны, как они выживают? Каким образом они могут выжить, если они могут получить метаболиты только при условии реализации организмом определенного поведения, которое мы запретили? Это очень интересный вопрос.
К.А. Но все-таки перейдем теперь к генам. К генам нам надо обратиться потому, что мы, в частности, знаем, что когда такие специализации формируются, то они приобретаются очень устойчиво и надолго.
Вы спрашивали, может ли нейрон переучиться. Ясно, по крайней мере, что если нейроны и переучивать, то это очень сложный и трудный процесс. Если специализации нейронов сформировались, то они хранятся месяцами и даже годами. Когда у животных чему-либо усилено, то можно увидеть, что приобретенные специализации нейронов сохраняются даже под наркозом. Это было обнаружено, в частности, в опытах японского нейрофизиолога Танаки (Tanaka), когда обезьянам под наркозом предъявляли совершенно невероятные для эволюционной экологии изображения - фракталы, которые искусственно генерировались компьютером. Но в прошлой жизни данной обезьяны эти фракталы служили для нее этапными результатами в ее пищедобывательном поведении. После того как обезьяна узнавала на их экране компьютера, она могла нажать на педаль и получить пищу. Оказалось, что нейроны сохраняют свою специализацию в связи с попадающими на сетчатку изображениями фрактальных картинок даже если животное находится во сне, под наркозом. И поэтому ясно, что такое обучение должно уходить глубоко, в молекулярные перестройки клеток, в изменение работы генов.
Ю.А. Я хотел бы сделать ясной эту позицию. С нашей точки зрения специализации пожизненны. И это принципиально важная вещь, что они пожизненны. Конечно, вы можете ту систему, по отношению к которой данный нейрон был специализирован, использовать в каком-то другом поведении. И если вы регистрируете активность этого нейрона, у вас возникнет впечатление, что он умеет теперь делать другое, не то, что делал. На самом же деле нейрон принадлежит той же системе, что и раньше, но возможности использования этой системы расширились.
Это имеет, кстати говоря, отношение к проблеме аддиктивного поведения. Например, к проблеме алкоголизма. Почему возникают рецидивы алкоголизма даже после очень длительной абстиненции, когда больной человек в течение длительного периода не принимал алкоголь. Потому что одним из механизмов образования зависимости является формирование специализаций нейронов относительно алкоголь-добывательного поведения при хронической алкоголизации. Потом, по прошествии многих лет отказа от алкоголя, человек сформировал массу других поведений. Наформировал множество новых специализаций. Но ранее сформированные «алкогольспецифические» специализации у него остались. Эти нейроны, возможно, и убить нельзя и переучить их нельзя. Вот в чем проблема.
А.Г. То есть, они могут быть совместителями, но при этом первую свою профессию не забывают.
К.А. Есть такое предположение, грубо говоря.
А.Г. И все-таки гены.
К.А. Итак, если это надолго, то работа генов в клетке должна измениться. И мы попробовали соединить вместе два уровня: тот, до которого можно добраться нейрофизиологическими методами, регистрируя активность клеток, и молекулярный, связанный с внутриклеточными механизмами. То есть, дойти до молекулярных основ поведенческой специализации нервных клеток. Так же, как это делается для понимания механизмов дифференцировки клеток в эмбриональном развитии, когда мы знаем, что это зависит от генов.
Для этого мы исследовали работу генов, запускающих в клетке долговременные преобразования. Во время жизни нервной клетки бывают такие ситуации, когда клетка должна что-то запомнить. Мы пока не знаем, как определить то, что именно она запоминает каждый раз. Но нам известно, что в тот момент, когда это происходит, в нейроне включаются гены, которые, говоря очень примитивно, запускают долговременное запоминание. Они как бы триггеры, которые говорят: то, что сейчас было, надо запомнить. Нужно перестроить другие гены и белки так, чтобы нервная клетка изменила себя надолго. Некоторое время назад мы нашли такие гены, и их работу в мозге можно увидеть, окрашивая клетки антителами к их продуктам.
К сожалению, сегодня пока невозможно регистрировать электрическую активность отдельных клеток мозга во время поведения и одновременно исследовать активность генов в этих же нейронах. Но мы с Юрой придумали такой трюк. Мы взяли для исследования две области коры головного мозга, где мы знаем, что процент специализирующихся при обучении нейронов очень большой и очень маленький. Одна из них - это так называемая циргулярная кора, где при обучении специализируется до 30 процентов нейронов. Когда, например, животное учится нажимать на педаль, чтобы получать пищу, то это «нейроны педали», которые вы видели на видео. А в моторной области коры доля таких специализирующихся нейронов очень маленькая, всего несколько процентов. В нашем эксперименте Владимир Гаврилов и Юрий Гринченко регистрировали нейроны из этих областей мозга обученных крыс, когда они добывали пищу, нажимая на педаль. И измерили число специализированных относительно нажатия на педаль нейронов. А затем Ольга Сварник взяла другую группу животных, которые учились этому же поведению нажатия на педаль, и посмотрела, как в их мозге работает ген-маркер долговременных изменений.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28