Кратковременная (лабильная) память
Замкнутые нейронные цепи. Интересно, что основой для гипотезы о физиологическом механизме кратковременной памяти послужили морфологические данные. Форбс (Forbes) в 1920 г. сообщил, что в центральной нервной системе наряду с разомкнутыми нейронными цепями на всех уровнях существуют также сложные замкнутые сети. Эти наблюдения использовал Лоренте де Но, который дал точное описание таких сетей в разных частях больших полушарий. На основе этого морфологического описания физиологам было уже нетрудно предположить практически нескончаемую реверберацию импульсов, не требующую подкрепления новыми сенсорными стимулами. Эти самостимулируемые, так называемые реверберирующие, замкнутые цепи, возможно, лежат в основе кратковременной памяти.
Самостимулируемая цепь. Базируясь на морфологических дачных, Рашевски (Rashevsky) создал в 1938 г. модель памяти, состоящую из замкнутых цепей, в которых импульсы долгое время циркулируют без подкрепления. Новые афферентные импульсы только усиливают поток циркулирующих импульсов. Рашевски предположил также, что эти цепи играют роль не только в кратковременной памяти, но и в выработке условных рефлексов. Импульсация, вызываемая новым, условным стимулом, суммируется с реверберирующей волной деполяризации, вызывая тем самым условную реакцию. Рашевски дал также математическое описание своей теории, которая и поныне служит отправным пунктом современных теорий реверберационного хранения информации. Он применил свою математическую модель к различным психологическим процессам, связанным с памятью, но не смог объяснить с помощью этой теории усиление долговременной памяти со временем, особенно в старости. Существование самостимулируемых цепей в сером веществе головного мозга было доказано только в 60-х годах Верцеано и Негиси, которые вводили микроэлектроды в различные нейроны, лежащие на небольшом пространстве в несколько квадратных миллиметров Они наблюдали волну импульсов, вызванную стимуляцией, которая с некоторой задержкой переходила от клетки к клетке Задержка соответствовала времени, необходимому для синаптической передачи.
Электрическая модель памяти. В наших экспериментах, начатых также в 60-х юдах, в коре, таламусе и ретикулярной формации среднего мозга у кошки регистрировались условные вызванные потенциалы при электрическом раздражении афферентных нервов. Эти выработанные вызванные потенциалы мы рассматривали как "электрическую модель памяти". Без подкрепления ответы, возникавшие в одном опыте, быстро исчезали. Таким образом, их можно было считать следами кратковременной, лабильной памяти, основанными на реверберирующей волне потенциалов действия в самостимулируемой цепи соответствующей группы мозговых нейронов. Для подтверждения нашей гипотезы был применен электрошок.
Действие электрошока. Воздействие электрошоком, введенное Черлетти и Бини (Cerletti, Bini), вызвало в литературе много споров Действие на мозг электрического импульса в 120 В и 120-500 мА в течение 0,5-1 с вызывает эпилептоидные судороги Такой электрошок приводит к полной потере сознания приблизительно на 3 мин. В течение 30 мин после шока наблюдается постепенно исчезающее затемнение памяти Судороги длятся около минуты (тоническая фаза - несколько секунд, а затем клоническая фаза в течение 30 с). Согласно большинству авторов, импульс высокочастотного тока вызывает отек мозга, который приводит к временному нарушению синаптических связей между нейронами У больных, подвергающихся лечению электрошоком, наступает полная амнезия на события, происшедшие в течение очень короткого периода перед воздействием, память о них никогда не возвращается, и это говорит о том, что электрошок нарушает только кратковременную память. Мак-Гоу (McGaugh) полагает, что при этом разрываются функциональные реверберирхющие цепи. Это позволило бы объяснить результаты наших опытов, в которых электрошок полностью уничтожал потенциалы, выработанные у кошек за один день при сравнительно небольшом числе предъявлений парных стимулов (около 200).
Эти результаты были истолкованы как подтверждение того, что у животных создавались следы памяти в виде реверберирующих нейронных цепей. Совпавшиеся сенсорные стимулы, разделенные промежутком в 200-400 мс, запускали циклическую активность соответствующей периодичности. Такой циклический поток импульсов состоит из бинарных элементов, но суммарный результат оказывается аналоговым - это вызванный потенциал, продукт суммации постсинаптических потенциалов…
Согласно гипотезе реверберирующих цепей кратковременная память связана с изменениями только в мембранах нейронов. Поток импульсов, достигая высших уровней центральной нервной системы, запускает волну потенциалов действия типа "все или ничего" в соответствующем замкнутом нейронном пути, но это ритмическое изменение потенциала не выходит за пределы мембраны и ее непосредственной близости - во всяком случае, так мы думаем теперь.
Долговременное (перманентное) хранение информации.
Первая возможность: реорганизация синапсов.
Большинство авторов согласно в том, что длительное сохранение следов памяти требует структурных изменений в центральных нейронах. Для объяснения длительного хранения информации предложены две хорошо известные гипотезы. Одна из них связывает долговременную память с усилением синаптических связей между нейронами, а вторая - с внутриклеточным хранением следов памяти. В 1955 г. Сентаготаи (Szentagothai) описал различия в величине поверхностей синапсов в спинном мозгу в зависимости от их использования. Чтобы сделать суть этого открытия более понятной, опишем некоторые особенности синапсов - функциональных элементов, обеспечивающих передачу импульсов с одного нейрона на другой.
Строение синапсов. Аксоны одного нейрона образуют контакты с телом или дендритом следующего нейрона посредством концевых вздутий. Как эти вздутия, содержащие пузырьки, так и протоплазма следующей клетки окружены мембраной толщиной около 50 А. Как показала электронная микроскопия, пресинаптическая мембрана отделена От постсинаптической мембраны щелью шириной 200 А. В пресинаптических окончаниях заключено особое вещество - медиатор. Каждый приходящий импульс вызывает освобождение медиатора и переход его через синаптическую щель. С помощью электронного микроскопа показано, что медиатор хранится в пузырьках, часть которых открывается в синаптическую щель.
ПСП - аналоговый сигнал. Если к синапсу не приходят импульсы, регистрация при помощи электродов, введенных в постсинаптический нейрон около мембраны, выявляет состояние покоя. При стимуляции пресинаптического волокна между двумя сторонами мембраны регистрируется разность потенциалов, которую называют постсинаптическим потенциалом (ПСП). Это локальный ответ, и он отличается от потенциала действия тем, что не следует закону "всё или ничего" и ограничен постсинаптическим участком мембраны. Он представляет собой аналоговый сигнал, способный генерировать в примыкающей мембране новую серию потенциалов действия…
В некоторых клетках медиаторы вызывают только деполяризационные ПСП, т.е. снижают потенциал покоя. В других клетках другие медиаторы вызывают гиперполяризационные ПСП - повышают потенциал покоя. Деполяризационные потенциалы - возбуждающие, а гиперполяризационные - тормозные. Как уже говорилось, ПСП представляет собой местный феномен, он не распространяется и служит только для запуска потенциалов действия, а сам ПСП генерируется под влиянием приходящего сигнала, т.е. потенциала действия пресинаптической клетки. Таким образом, в этой точке передача нервных импульсов происходит путем превращения бинарных сигналов в аналоговые с последующим превращением снова в бинарные сигналы - импульсы.
Медиаторы. Как полагают, в пузырьках синаптических концевых вздутий различных нейронов образуются и хранятся несколько видов веществ-медиаторов. Они служат или для передачи импульсов, или для ее торможения. Ацетилхолин служит возбуждающим медиатором, введя его, можно искусственно вызвать деполяризацию. Тормозным медиатором считают гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК).
Таким образом, потенциал действия пресинаптического нейрона доходит только до концевого вздутия аксона, где он вызывает освобождение медиатора. Этот последний переходит через синаптическую щель на мембрану постсинаптического нейрона и изменяет ее ионную проницаемость. В зависимости от количества медиатора генерируется ПСП большей или меньшей величины. Если ПСП деполяризационный и достаточно большой, он порождает периодические потенциалы действия, которые передаются по отходящему от этой второй клетки аксону…
Два вида мембраны. В соответствии с этой теорией каждый нейрон должен обладать мембраной двух видов: одной напротив концевых вздутий и второй, покрывающей всю остальную клетку. Такие же два вида мембраны имеются у рецепторов.
Показано, что мембрана волокна в рецепторе способна генерировать локальный аналоговый сигнал, а в волокне вне рецептора регистрируются распространяющиеся сигналы типа "всё или ничего". Таким образом, ПСП - это генераторный потенциал, сходный с рецепторным потенциалом в местах воздействия сенсорных стимулов.
Синаптическая задержка. Время между приходом пресинаптического импульса к концевому вздутию и генерацией ПСП, называемое синаптической задержкой, измерялось при помощи микроэлектродов. Установлено, что у разных животных оно варьирует от 0,3 до 3 мс. Эта задержка складывается из отрезков времени, необходимых 1) для высвобождения медиатора, 2) для его диффузии к постсинаптической мембране и 3) для генерации ПСП.
Рост синаптических структур. Рассмотрим теперь возможную роль синапсов в хранении следов памяти. Как полагают, абсолютное число синапсов у одного нейрона и величина концевых вздутий зависят от использования пути, к которому они принадлежат. При более интенсивном использовании эти параметры имеют тенденцию возрастать; и напротив, они уменьшаются, если проводящий путь бездействует. Это говорит о хорошей адаптационной способности аппарата, передающего импульсы. Изменения величины синапсов продемонстрированы гистологическими методами.
Более длительные ПСП. Экклс (Eccles) показал, что в высших нервных образованиях (головном мозгу) способность синапсов к адаптации выражена сильнее, чем на низших уровнях, например в спинном мозгу или в стволе мозга. Амплитуда и длительность ПСП в головном мозгу примерно в десять раз больше, чем в спинном, где ПСП, как правило, слабые и кратковременные… Поэтому Экклс полагает, что интенсивное использование синапсов в мозгу приводит к увеличению не только их поверхностей, но также и количества медиаторов, которые вызывают более длительный ПСП.
Посттетаническая потенциация. Адаптационная способность синапсов выявляется в опытах с созданием посттетанической потенциации. Электрическое раздражение током высокой частоты (тетанизация) на протяжении нескольких минут ведет к облегчению передачи импульсов, т.е. к понижению порога постсннаптической мембраны. В постсинаптической клетке в течение нескольких минут после тетанизации потенциал действия будет возникать в ответ даже на стимулы, бывшие ранее подпороговыми. Нейрон как бы "помнит" высокочастотную стимуляцию, которая прекратилась за несколько минут до этого. Возможно, что подобный механизм участвует и в синаптическом процессе образования следов памяти.
Резюме: три вида изменений в синапсах. Итак, известны три разных свойства синапсов, которые могли бы служить физиологической основой длительного сохранения следов памяти: увеличение синаптических поверхностей, большая продолжительность ПСП и снижение порога, сходное с постсинаптической потенциацией. Все эти три изменения могли бы участвовать в создании свойства, характерного для нейронных путей в головном мозгу, которое состоит в том, что эти пути становятся более чувствительными по мере их использования, когда они, так сказать, "проторяются".
Ускоренный синтез белка. Никакое увеличение объема концевых вздутий и усиление выработки медиатора нельзя себе представить без ускорения сложных молекулярных процессов внутри клетки. Самый главный из них, несомненно, состоит в синтезе белков, управляемом РНК. В последние годы опубликованы данные, которые показывают, что в росте синапсов при их усиленном функционировании может играть роль образование полипептидных цепей. Следует подчеркнуть, что это ускорение синтеза белка не идентично хранению информации внутри клетки, о которой будет сказано ниже. В этом случае не возникают новые белки с иной последовательностью аминокислот, а только ускоряется синтез белков в концевых вздутиях, что ведет к количественным изменениям в синаптическом аппарате и усиленной выработке медиатора.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Долговременная память.
Вторая возможность: качественные молекулярные изменения.
Самые сенсационные, а также самые модные сейчас теории памяти - это те, в которых предполагается качественное изменение молекул РНК и белков в нейроне. Эти умозрительные гипотезы вызваны к жизни великим открытием нашего века - расшифровкой генетического кода молекул ДНК и РНК. Последовательность нуклеотидов в дезоксирибонукленновой кислоте (ДНК) хромосом служит кодированным сообщением, содержащим огромное количество информации, передаваемой из поколения в поколение. Синтез белка происходит на рибосомах цитоплазмы в соответствии с информацией, закодированной в молекуле ДНК и передаваемой в цитоплазму особым посредником - молекулой информационной РНК.
Содержание РНК в нейроне. Под влиянием упомянутого выше открытия Хиден (Hyden) в Швеции приступил в 50-х годах к изучению РНК и ДНК нейронов мозга и их возможной роли в хранении следов памяти. В своих первых экспериментах он попытался установить связь между участием нервных клеток в процессах памяти и содержанием в них РНК. Он нашел, что нейроны - самые активные продуценты РНК в организме. Содержание РНК в разных нейронах центральной нервной системы варьирует в пределах от 20 до 20000 пг. Нейроны, содержащие ее в количествах, близких к верхнему пределу, способны хранить очень много информации. У человека способность усваивать информацию в среднем составляет 25 бит в секунду, и один человек способен за 10 лет накопить 4 млрд. бит, если принять, что ежедневно он воспринимает информацию в течение 10 часов. Для кодирования этого количества информации потребовались бы всего лишь два миллиона пар нуклеотидов, которые содержатся в нескольких нейронах. Более 90% РНК находится в цитоплазме клеток, точнее - в рибосомах. Ядра содержат ее очень мало. Что касается азотистых оснований РНК, то в нейронах находят больше гуанина и цитозина, чем аденина и урацила. Хиден исследовал содержание РНК в мозгу барракуды - рыбы, обитающей в Атлантическом океане. Эта рыба отличается поразительной активностью и подвижностью. Хиден установил у этого вида корреляцию между двигательной активностью и уровнем РНК в мозгу…
Нейроны и глиальные клетки. Хиден обнаружил связь между активностью нервной клетки и содержанием РНК, также и при исследовании в ином аспекте. Он установил, что нейроны спинного мозга содержат 400 пг РНК на клетку в возрасте 20 лет и 700 пг на клетку в 40 лет, а затем к 80 годам ее содержание снова снижается до 400 пг. В последующих экспериментах Хиден выявил регуляторные взаимодействия между количествами РНК в нейронах и окружающих глиальных клетках. Эти последние служат для нейрона энергетической базой: содержание в них РНК растет соразмерно с повышением уровня РНК в нейроне. Белки. Хиден провел очень интересные опыты в связи с научением и памятью. Чтобы достать с полки корм, крысы должны были балансировать на веревке, натянутой под уклоном 45°. Эту задачу, требующую исключительной ловкости, крысы выполняли за 45 секунд и обучались ей за 4-5 дней. Затем животных умерщвляли и определяли содержание РНК в ядрах Дейтерса в продолговатом мозгу по сравнению с контролем.
При помощи весьма демонстративной методики микропрепарирования Хиден доказал, что общее количество РНК, а также нуклеотидный состав ядерной РНК в вестибулярных нейронах, участвующих в поддержании равновесия, у экспериментальных животных были изменены. Возросло ее общее количество, доля аденина тоже возросла, а доля урацила снизилась… В то же время в цитоплазматической РНК соотношение нуклеотидов не изменилось. По мнению Хидена, главную роль в образовании следов памяти играют не столько количественные изменения (ускоренный синтез белка в связи с увеличением размеров синапсов), сколько специфический механизм хранения информации, сходный с генетическим кодом РНК. Однако нет данных, которые позволили бы объяснить качественные и количественные изменения, происходящие при обучении не в цитоплазме, а в ядре. Молекула ДНК - чрезвычайно стабильный компонент клетки, не подверженный ни качественным, ни количественным изменениям в связи с активностью нейрона. Как же в таком случае объяснить изменение в составе РНК, для которой ДНК служит матрицей? Было высказано предположение, что это изменение создается электрическими импульсами, поступающими от мембраны. Связь между периодическими мембранными процессами типа "всё или ничего" и изменениями внутриклеточной РНК составляет еще не решенный вопрос биологической теории следов памяти.
Опыты с планариями. Примерно в том же направлении проводили исследования Мак-Коннелл (McConnell) и его сотрудники. Они вырабатывали условные реакции у плоских червей - планарий. На этих животных, едва видимых невооруженным глазом, но хорошо различимых под микроскопом, воздействовали сочетанием светового (условного) и электрического (безусловного) стимулов. Условной реакцией было уплывание. По достижении 100%-ного обучения червей разрезали на две части, головную часть отбрасывали, а хвостовой давали возможность регенерировать головной конец (у планарий регенерация происходит очень быстро). К своему удивлению, экспериментаторы обнаружили, что животные с новой головой оказались способны осуществлять выработанную реакцию так же, как до перерезки тела. Информация об этой реакции могла храниться только в нейробластах хвостовой части.
Та же группа ученых получила и другие столь же необычайные результаты. Самым поразительным был эксперимент, связанный с "каннибализмом" планарий. У группы червей были выработаны условные рефлексы. Затем черви были убиты и размельчены в ступке, а полученные таким образом фрагменты клеток скормлены необученным червям. Эти необученные животные тотчас же оказались способными осуществлять ге условные реакции, которые были выработаны у съеденных ими червей.
Опыты лаборатории Мак-Коннелла породили целую лавину экспериментов, в которых делались попытки доказать или опровергнуть возможность "переноса памяти". Опыты с червями, поедающими других червей, были якобы подтверждены некоторыми исследователями, тогда как другие авторы сообщали об отрицательных результатах.
Утверждалось также, что следы памяти передаются с молекулами РНК. Для того чтобы доказать это экспериментально, червей держали в растворе с рибонуклеазой - ферментом, разрушающим РНК У этих животных выработанная реакция и "перенос памяти" не наблюдались. Был поставлен и такой опыт: из обученных червей экстрагировали РНК и скармливали ее необученным животным вместо вытяжки из всего тела. Сообщали, что в этом случае происходил перенос выработанной реакции.
"Перенос памяти" у млекопитающих. Сенсационные опыты на планариях были восприняты со смешанными чувствами. Поскольку турбеллярии обладают простой организацией и большой регенерационной способностью, сначала возникло предположение, что вводимый "код памяти" каким-то образом включался в вещество нервной системы этих животных. Но более опытные исследователи проявляли по этому поводу скептицизм. Вскоре появилось несколько сообщений о феномене "переноса памяти" у млекопитающих, что немедленно вызвало в мировой литературе горячие споры. Первые данные были опубликованы в 1965 г. скандинавскими, чехословацкими и американскими учеными почти одновременно. Согласно этим сообщениям, вытяжки из всего мозга или РНК обученных животных стимулировали условнорефлекторную активность у необученных. Мы тоже провели эксперименты в таком роде, и хотя они подтвердили стимулирующее действие экстракта мозга на процессы научения, они показали также, что это объяснялось не "переносом памяти", а только неспецифическим стимулирующим эффектом некоторых компонентов. Такие вещества и раньше экстрагировались из органов животных, но никто не утверждал, что тем самым открыт "код памяти".
Таким образом, по-видимому, ясно, что "перенос памяти" химическим путем или решение вопроса о "коде памяти" оказывается мнимым, по крайней мере на нынешнем этапе развития молекулярной биологии. Шестидесятые годы - время больших ожиданий - сменились годами разочарования и более трезвого подхода. Не исключено, что пептиды мозговых вытяжек, содержащие большее или меньшее число аминокислот, могут играть стимулирующую роль в фиксации следов памяти. И действительно, Г. Унгар (G. Ungar) в Хаустоне и другие получили пептиды, стимулирующие научение. Но даже Унгар не стал бы в наше время заявлять, что, например, скотофобин - пептид из 15 аминокислот, открытие которого несколько лет назад было сенсацией, - содержит "код памяти" для условного рефлекса избегания света у крысы. Этот автор полагает, что правильнее считать его стимулятором, способствующим синапгической передаче.
Молекулярная теория памяти, как можно видеть, весьма дискуссионна. Даже первоначальные эксперименты Хидена не подтверждены однозначно Доводы в пользу роли замкнутых цепей в кратковременной памяти, а также в пользу теории реорганизации синапсов несколько более многочисленны, однако и по этому поводу последнее слово еще не сказано.
Синтез теорий. Недавно появилась тенденция объединять три наиболее обоснованные теории памяти… Согласно таким представлениям, электрические, синоптические и молекулярные процессы, вызываемые многократными внешними стимулами, зависят один от другого и протекают последовательно.
1. Серия сенсорных импульсов, образующая частотный код, запускает реверберационную активность в самовозбуждающейся цепи. Реверберирующие бинарные сигналы, взятые в совокупности, сохраняют информацию в аналоговой форме. Эти следы памяти лабильны и быстро исчезают.
2. В случае очень интенсивных, часто повторяющихся стимулов или при сильной эмоциональной мотивации ритмические изменения мембранного потенциала - с помощью пока не выясненного механизма - ускоряют внутриклеточный синтез белка. Неспецифичсски стимулируется образование РНК в нейронах, что усиливает синтез белка. Этот процесс приводит к увеличению синаптических поверхностей между клетками. С кибернетической точки зрения это тоже аналоговый процесс. Информацию содержит не отдельный нейрон, а сеть нейронов, связанных синапсами, функциональная эффективность которых возросла Закрепленные таким образом следы памяти весьма стабильны.
3. Наконец, в случае стимулов чрезвычайно большой силы или длительности не исключено и качественное изменение системы РНК - белок. Как и в системе генетического кода (ДНК-РНК), здесь приходящие электрические импульсы могли бы приводить к образованию качественно отличной РНК, которая затем будет управлять синтезом специфического белка, несущего в себе код памяти.
Из сказанного выше ясно, что хранение следов памяти пока может быть объяснено только с помощью ряда вдохновляющих гипотез.
Единая система памяти? Возможность существования кода памяти, сходного с генетическим кодом, породила умозрительные теории, из которых самые смелые даже постулируют единую в своей основе систему памяти для всего живого. Несомненно, кодирование информации, переходящей от поколения к поколению, доказано, и видовая память уже не является гипотезой. То же самое можно сказать о системе памяти защитных механизмов: взаимодействие антигенов с антителами, т.е. иммунная реакция, представляет собой весьма пластичный процесс - результат своего рода научения, который часто сохраняется в течение всей жизни индивидуума. Сопоставляя эти факты с описанными выше процессами хранения следов памяти, нам нетрудно увидеть, насколько привлекательным было бы такое обобщение. Разве не может быть, что мозговые механизмы индивидуальной памяти, длительные реакции "иммунологической памяти" и генетическая память вида - это лишь разные аспекты одного и того же биологического закона? Изобретательность ученых безусловно в конце концов поможет ответить на этот вопрос.
Роуз С.
УСТРОЙСТВО ПАМЯТИ
Печатается по изданию: Роуз С. Устройство памяти. От молекул к сознанию. Пер. с англ. М.: Мир, 1995. С. 183-234
Глава 7. Эволюция памяти
Есть небезобидная склонность, в которой нередко повинны и нейробиологи: часто говорят о некой эволюционной лестнице или шкале сложности, вдоль которой можно разместить все ныне живущие на Земле организмы - от самых "примитивных" до самых "высокоразвитых". Еще более крайняя форма такого мышления предполагает действие в эволюционном процессе какого-то рода направляющей силы, сделавшей человека вершиной прогрессивного развития. В основе подобных идей, которые берут начало в представлениях о месте человечества в природе, сложившихся задолго до Дарвина и появления современной биологии, лежит глубокое непонимание эволюции. Поэтому дальнейшему обсуждению придется предпослать краткую вступительную лекцию. Все современные организмы произошли от примитивных форм жизни, появившихся на Земле довольно скоро после рождения самой планеты, вероятно около четырех миллиардов лет назад. Под эволюцией (это слою буквально переводится как "развертывание" или "развитие") биологи понимают процесс постепенного изменения форм организмов в ряду поколений. "Форма" здесь означает все присущее организму - от биохимических и структурных особенностей до поведения. Изменения формы происходят на самых разных уровнях, от молекулярного до популяционного, и сохраняются благодаря наследственной передаче. Когда изменение становится настолько большим, что уже препятствует успешному скрещиванию новой формы со старой, можно говорить о возникновении нового вида.
Самый общепризнанный механизм эволюционного изменения - это современная версия дарвиновского естественного отбора, основанная на следующих простых посылках: а) организмы порождают себе подобных, хотя и с небольшими, главным образом случайными, вариациями; б) все организмы дают больше потомков, чем может дожить до зрелого возраста и в свою очередь приступить к размножению; в) выжившее и размножающееся потомство представлено особями, лучше приспособленными к окружающим условиям, чем погибшие особи; г) эти выжившие особи имеют больше шансов дать лучше приспособленное потомство; таким образом, новые, более удачные формы будут постепенно вытеснять менее приспособленных предшественников.
Живые организмы могут приспосабливаться к существующим условиям, но не могут прогнозировать будущее. Вероятность того, что последующие поколения будут жить в более теплом климате, не может повлиять на отбор в настоящем. Таким образом, эволюционное изменение в популяции организмов способно отражать только те изменения среды, которые уже произошли. Эволюция не обладает даром предвидения. В то же время среда никогда не бывает статичной, она постоянно меняется. Физические силы изменяют климат, вызывают образование гор и опускание суши. Живые организмы и сами влияют на собственную среду обитания, изменяя ее химический состав в результате потребления питательных веществ, дыхания и выделения продуктов жизнедеятельности; они служат факторами географических изменений, разрушая и созидая новые элементы ландшафта (эта довольно-таки очевидная концепция получила почти метафизическое истолкование в работах Джеймса Лавлока и его приверженцев под претенциозным названием гипотезы Геи). Помимо всего прочего, каждый организм составляет часть окружающей среды для других организмов, выступая в качестве полового партнера, родителя, потомка, хищника или добычи. Наконец, организмы не пассивные реципиенты внешних воздействий: они (животные в большей степени, чем растения) могут выбирать для себя условия жизни, перемещаясь из менее благоприятной среды в более благоприятную. Таким образом, в эволюции, как и в процессе индивидуального развития, связь между организмом и средой всегда двухсторонняя: среда непрерывно бросает вызов организму, и тот либо противостоит ей (успешно размножается), либо не выдерживает (вымирает). Организм и среда диалектически взаимосвязаны.
Дарвиновский отбор - это, вероятно, лишь один из возможных механизмов эволюционного изменения живых существ (об относительной роли других процессов продолжается оживленная дискуссия, но она выходит за рамки нашего обсуждения). Сейчас важно подчеркнуть, что все современные формы земной жизни, несомненно, сложились на основе сходных требований, предъявлявшихся отбором на протяжении всего геологического времени. Нельзя поэтому сказать, что один вид "более развит" или "лучше приспособлен", чем другой. Если навозный жук, гриб или человек до сих пор существуют, то это само собой означает, что они сумели сохраниться как виды. Есть много разных способов выживания и продолжения рода, и для каждого организма существуют свои критерии эволюционного "успеха". Только очень предубежденный, рассудочный взгляд на мир живого может подсказать мысль о прямой связи выживания с размерами мозга. Если исходить из общего объема биомассы, окажется, что организмов, не имеющих мозга (или даже вообще центрального нервного образования), несравненно больше, чем животных, обладающих им. Даже среди животных с высокоразвитой нервной системой жуки явно преобладают по численности над млекопитающими.
Нельзя говорить о прогрессе или целенаправленности эволюции. Примитивные одноклеточные существа - наши ранние предшественники - не обладали собственным стремлением и не побуждались высшей мистической силой к развитию, которое привело к появлению человека. Правда, существуют строгие ограничения на то, что может и что не может развиваться, связанные с физическими условиями нашей планеты и с химией углерода, составляющей молекулярную основу жизни на Земле. Но в пределах этих ограничений происходили случайные события, изменялись отдельные организмы в определенное время и в определенных местообитаниях, и все это привело в конце концов к современным "высшим" формам жизни. Не было никакого генерального плана. Изучение ископаемых остатков дает представление о том, как складывалась эволюция. Но, как замечает один из последних комментаторов, Стивен Дж. Гоулд, если бы можно было вернуть колесо эволюции обратно к моменту зарождения жизни на Земле, а потом заново раскрутить его, результат скорее всего был бы совсем иным: не возник бы, вероятно, ни человек, ни даже мозг. Изучение эволюции - это изучение истории, а не разработка некой математической программы продвижения от простого к сложному и не разгадка внутреннего стремления к эволюционному совершенствованию в духе Тейяра де Шардена. В этой исторической последовательности некоторые организмы, например человек, появились совсем недавно, а их предки, судя по ископаемым остаткам, очень быстро претерпели коренные изменения. Другие формы жизни на Земле гораздо больше напоминают своих предков, живших много миллионов лет назад. Создается впечатление, что, однажды найдя способ успешно выживать и размножаться в относительно стабильной среде, они в дальнейшем не нуждались в существенном изменении образа жизни. Поэтому, изучая их биологию и поведение, можно с достаточной долей уверенности заключать о том, как жили их (а значит, и наши) давние предки.
Возвращаясь далеко назад, к истокам эволюции, мы видим, что все современные организмы имели общего предка или группу предков. На пути, который привел к появлению человека, находились существа, жившие три (или более) миллиона лет назад и бывшие также предками современных человекообразных обезьян. Еще раньше существовали предки всех современных млекопитающих, а до них - предки всех ныне живущих позвоночных; наконец, мы дойдем до предков всех многоклеточных организмов, и т. д. Эти отношения лучше всего представлять не в виде эволюционной лестницы или дерева, а в виде куста с многочисленными веточками. Строение мозга и поведение предков современных животных можно представить себе, только изучая их живых потомков, поскольку в ископаемых остатках не сохранились мягкие ткани, такие как мозг или нервы. Этот сравнительно-психологический метод позволяет тем не менее прийти к некоторым выводам об эволюции нервной системы, мозга, поведения и, наконец, памяти.
Истоки поведения
Адаптивное поведение как обязательное условие выживания свойственно всем организмам, однако многие процветающие формы жизни прекрасно обходятся без научения и вспоминания, даже без мозга. Возьмем подсолнечник, соцветие которого всегда обращено к источнику света, т. е. энергии. По мере роста подсолнух не учится на опыте, как лучше поворачиваться, и он не перестанет делать это, если после каждого поворота, "наказывать" его электрическим ударом. Это поведение (поворачивание соцветия), носит оно адаптивный характер или нет, дано организму от природы, зафиксировано в его генетическом коде и программе развития. Такое присущее виду поведение (обычно говорят врожденное, но я избегаю пользоваться этим термином, так как он несет дополнительную идеологическую нагрузку) гарантирует адекватный ответ на специфические раздражители без научения методом проб и ошибок, но за счет ограничения диапазона и гибкости реакций. Поведение изменяется не только у отдельной особи, но и в длинном ряду поколений как следствие эволюции. В отличие от этого приобретенные формы поведения вырабатываются на опыте, на практике; их преимущества - большая гибкость, свобода корректировки при изменениях окружающей среды и возможность учитывать наблюдаемые последствия при жизни данного индивидуума. Очень важно, однако, помнить, что приобретенные путем научения реакции не наследуются потомством. Передаются лишь степень пластичности и способность обучаться, которые в свою очередь "заданы" генетическим кодом и программой развития. Вот почему пора забыть наскучившие старые споры о врожденном и приобретенном. Чтобы познать мозг и поведение, нужно отрешиться от этого противопоставления и попытаться вместо того понять диалектическую связь между специфичностью и пластичностью.
Способ существования растений определяется их способностью выживать, используя энергию Солнца для усвоения двуокиси углерода и преобразования ее в нужные питательные вещества, в частности в сахар. Для этого надо лишь оставаться на месте с раскинутыми ветвями, осуществлять фотосинтез и стараться избегнуть поедания, чтобы успеть произвести потомство. За это приходится расплачиваться большой сложностью способов размножения, которые по самой своей сути не очень надежны, так как зависят от других организмов или природных сил (например, ветра), разносящих пыльцу и семена. Жизнь животных не столь проста. Не обладая способностью к фотосинтезу, они вынуждены использовать частично готовую пищу, либо непосредственно поедая растения, либо охотясь на животных, питающихся растениями. Для этого им приходится непрерывно передвигаться, прибегать к специализированным способам поиска корма, спасаться от опасностей и разыскивать партнеров. Таким образом, неспособность к фотосинтезу компенсируется расширением репертуара адаптивного поведения и его большей гибкостью, развитием органов чувств, позволяющих обнаруживать пищу и врагов на расстоянии, и двигательными навыками для перемещения в желаемых направлениях.
Одиночные клетки
Некоторые из описанных форм поведения встречаются даже у простейших одноклеточных организмов. Еще в 80-х годах прошлого столетия в Германии В. Пфейфер провел следующий эксперимент. Он опускал тонкую капиллярную трубочку, заполненную раствором глюкозы, в каплю жидкости, содержавшей бактерии, и наблюдал, как они концентрировались у отверстия капилляра. Бактерии вели себя так, будто "знали", где находится глюкоза, и демонстрировали адаптивную реакцию. Объясняется это довольно просто: глюкоза медленно диффундировала из капилляра в окружающую жидкость, и здесь создавался градиент концентрации сахара. В мембранах бактериальных клеток имеются рецепторные молекулы - белки, строение которых позволяет им узнавать молекулы глюкозы, и крошечные бичевидные жгутики бактерий, работая синхронно, перемещают клетку "вверх" по градиенту. У мутантных форм, лишенных рецепторов, такое поведение отсутствует, что не мешает им использовать глюкозу как источник энергии, если их поместить в раствор.
Более сложные одноклеточные организмы, например парамеции, имеют выросты иного типа, называемые ресничками. Основания ресничек соединены системой тонких нитей, координирующих их биение. В интервалах между эпизодами питания (добычей им служат бактерии) парамеции находятся в непрестанном движении и часто наталкиваются на препятствия, после чего меняют направление движения, заставляя реснички работать на той или другой стороне тела. Таким образом, эти животные, перемещаясь подобно игрушечным машинкам, обходят препятствия и достигают участков, богатых пищей. Точно так же они способны уплывать из зон со слишком высокой или низкой температурой или избегать таких раздражающих веществ, как кислоты. Эти реакции поиска и избегания у существ размером не более 0,2 мм, не имеющих нервной системы, есть не что иное, как зачатки более сложных форм активного поведения.
Многоклеточные организмы
Одноклеточные организмы должны быть автономными системами и вмещать в своем крошечном объеме все, что необходимо для их поведенческого репертуара. Зато у них нет особых трудностей со связью между отдельными частями клетки. В процессе эволюции многоклеточных организмов спектр поведения расширяется, и им приходится решать все более сложные организационные проблемы. Возникает надобность в какой-то системе быстрой внутренней сигнализации, чтобы координировать деятельность клеток в различных частях одного организма. Главным средством межклеточной связи у наиболее примитивных многоклеточных форм, по-видимому, служила химическая сигнализация.
Вещество, выделяемое одной клеткой и служащее, например, сигналом к сокращению, могло достаточно быстро диффундировать в другие клетки, заставляя их тоже сокращаться. Такие химические сигналы были возможными предшественниками нынешних гормонов. Один из самых интригующих аспектов биохимической эволюции - близкое сходство многих гормонов с веществами, которые служат в нервной системе медиаторами; оно может означать, что последние ведут свое происхождение от гормонов.
Многоклеточность делает возможной специализацию. Отдельные свойства и функции могут распределяться между различными клетками: одни клетки выполняют, например, сократительную функцию, другие специализируются на синтезе и секреции сигнальных веществ, в третьих, расположенных на поверхности тела, сосредоточены рецепторы, реагирующие на химические воздействия (подобно рецепторам глюкозы у бактерий) или даже на свет.
Система сигнализации путем диффузии различных веществ удобна для мелких организмов, но ее возможности ограниченны: диффузия на большие расстояния занимает много времени и малоэффективна, так как сигнал не может быть направлен настолько точно, чтобы достигнуть именно той клетки, для которой он предназначен. Если же, с другой стороны, сигнализирующая клетка приобретает форму, которая позволяет ей прийти в соприкосновение с клеткой-мишенью, то химический сигнал может быть непосредственно передан через "синаптическую" щель между клетками. Это обеспечивает направленность, но не решает проблему передачи сигнала с одного конца генерирующей его клетки на другой, которые теперь разделены довольно большим расстоянием.
В этом случае большое значение приобретают электрические свойства клетки. Наличие электрического заряда на наружных клеточных мембранах - всеобщая особенность живых клеток. Такой заряд, создающий мембранный потенциал, обусловлен присутствием во внутриклеточной жидкости (цитоплазме) различных растворенных солей, образующих электрически заряженные ионы - Na+, K+, Ca2+, Cl- и т.д. (например, из хлористого натрия, NaCl, образуются положительно заряженные ионы натрия, Na+, и отрицательно заряженные ионы хлора, Сl-). Однако внутриклеточная среда отличается от наружной среды более высокой концентрацией калия и более низкой концентрацией натрия. В клетках содержатся также белки, а входящие в их состав аминокислоты тоже несут электрические заряды. Таким образом, ионный состав жидкостей по обе стороны клеточной мембраны различен, и в результате на мембране создается разность потенциалов порядка 70 милливольт с отрицательным полюсом внутри.
Нервные клетки (нейроны), как и все другие, обладают таким мембранным "потенциалом покоя". Но они отличаются уникальным свойством своей мембраны, которая у них возбудима, т. е. быстро становится проницаемой для ионов натрия, находящихся во внеклеточной среде, в ответ на соответствующий сигнал - на небольшое местное изменение ионных концентраций по обе ее стороны. Поступление в клетку ионов натрия приводит к деполяризации мембраны, потенциал на которой изменяется с минус 70 милливольт до плюс 40 милливольт. Это генерирует в клеточной мембране волну электрической активности, называемую потенциалом действия…, которая за несколько миллисекунд распространяется по аксону от тела клетки до ее выходного синапса.
Потенциал действия в свою очередь служит сигналом для высвобождения в синаптическую щель нейромедиатора, вызывающего реакцию другого нейрона. Эволюция клеток, обладающих потенциалами действия и системами химической сигнализации на своих окончаниях, возможно, лежала в основе формирования нервной системы современного типа.
Примером организма с примитивной нервной системой может служить крошечная гидра, живущая в наших водоемах. Гидры прикрепляются к камням или водным растениям на дне пруда или ручья, и их щупальца совершают волнообразные движения около ротового отверстия. В случае прикосновения к нему животное, подобно актинии, сжимается в комочек. Гидры питаются мельчайшими организмами, проплывающими мимо щупалец, причем предварительно выбрасывают специальные ядовитые нити для обездвиживания добычи, которая затем проталкивается щупальцами в рот. Это сложное поведение требует механизмов для обнаружения добычи или опасности, принятия решения и соответствующей реакции - атаки или сжатия в шарообразный комок. Такими механизмами служат чувствительные, секреторные и мышечные клетки и прежде всего вся сеть поверхностных клеток, объединенная электрической сигнализацией и способная координировать поведение гидры.
Отдельные клетки этой сети несколько отличаются от нейронов более сложно организованных животных, так как функции сети лишены специфичности или направленности. Если подвергнуть раздражению любую часть тела, то от этого места во все стороны пойдет волна возбуждения, которая в конце концов охватит всю нервную сеть. Нервная система гидры напоминает такую систему телефонной связи, в которой вас рано или поздно соединят со всеми другими абонентами, какой бы номер вы ни набрали. Напротив, важнейшей чертой высокоразвитой нервной системы является специфичность, наличие определенного набора соединений, благодаря которым сигнал, возникающий в какой-либо сенсорной клетке, проходит строго определенный путь и достигает определенной эффекторной клетки: это нечто вроде "частной" линии связи, в основном изолированной от множества других нейронов нервной системы.
"Частные линии" и нервная система
"Частные линии" такого типа, а значит и настоящая нервная система, появляются у организмов более сложных, чем гидра, - у планарий, или плоских червей. Положите в ручей кусочек сырого мяса, и через несколько часов он будет облеплен поедающими его мелкими, плоскими, черного цвета червячками. Это планарий. В отличие от гидры тело планарий имеет хорошо различимые головной и хвостовой концы, а поведение этих животных значительно сложнее. Важнее всего то, что у них есть специфическая система межнейронных связей, и если перерезать ведущие к мышце нервные волокна, данная мышца будет парализована. Кроме того, если у гидры примитивные нервные клетки довольно равномерно распределены по всему телу, то у планарий размещение их иное. Нейроны располагаются группами, в которых клетки связаны короткими аксонами и дендритами; каждая группа имеет хорошо заметные входные и выходные нервные тракты. Некоторые клетки группы принимают сигналы, поступающие по входным путям, другие дают начало выходным путям, а третьи (интернейроны) обеспечивают связь между первыми и вторыми. Таким образом, эти группы нейронов, называемые ганглиями, содержат все основные элементы настоящей нервной системы.
Благодаря четкому выделению головного и хвостового концов тела у планарий хорошо выражено чувство направления, перемещения вперед или назад, чего нет у гидры. Очевидно, что животному гораздо важнее иметь подробную информацию о том месте, куда оно направляется, нежели о том, которое оно покинуло. Не удивительно поэтому, что помимо рта в головном отделе у планарий сосредоточены органы чувств, в том числе светочувствительные глазные ямки. Анализ информации, поступающей от этих органов, осуществляется в группе головных ганглиев, которую можно считать прототипом мозга. С такой относительно сложной организацией нервной системы связано значительное расширение репертуара адаптивного поведения. Планарий избегают света и склонны перемещаться на затемненные участки, реагируют на прикосновение и стремятся сохранить контакт нижней поверхностью тела с твердым субстратом, находят корм и предпочитают двигаться против течения.
Привыкание и сенситизация
У планарий есть еще одна форма поведения. Если слегка прижать планарию стеклянной палочкой, она свертывается в шарик - это нормальная реакция на угрожающую ситуацию. Через несколько минут она начнет медленно и осторожно разворачиваться. Дотроньтесь до нее снова, и она опять свернется, а потом распрямится. Но если повторять прикосновение достаточно часто, реакция начнет ослабевать, пока, наконец, планария не перестанет сворачиваться, как будто она привыкает к раздражению и перестает считать его опасным. Такое явление, когда животное в конце концов перестает реагировать на повторное воздействие, знакомо всем. Одеваясь по утрам, мы хорошо чувствуем прикосновение материи к коже, но очень скоро перестаем замечать это ощущение. Это называется привыканием или габитуацией: нервная система узнает определенный комплекс раздражителей, которым в случае одевания служит давление ткани нашего платья на рецепторы кожи, а в случае планарий - прикосновение стеклянной палочки. Иными словами, раздражение игнорируется, его уже не нужно учитывать при оценке состояния окружающей среды.
Тем не менее, если планарию какое-то время не беспокоить, первоначальная реакция восстанавливается. Все это можно было бы рассматривать как утомление с последующим восстановлением нормальной чувствительности, однако дело не в этом. Если в период привыкания прикосновение стеклянной палочки совмещать с каким-либо другим стимулом, например с ярким светом, реакция сразу же полностью восстанавливается. Значит, ее временное исчезновение не было следствием "усталости", а возобновление - это активный процесс: происходит дегабитуация (снятие привыкания). Габитуация и дегабитуация, отвечающие критериям научения, которые обсуждались в главе 6, можно рассматривать как исходные, очень простые формы кратковременной памяти, как адаптивные механизмы, позволяющие воздерживаться от ненужных реакций и тем самым предотвращать утомление. Как правило, привыкание и его снятие подчинены определенным законам: чем выше частота повторного раздражения, тем сильнее выражено привыкание, а чем раздражение сильнее, тем привыкание слабее. Повторение одного и того же стимула после серии эпизодов габитуации и дегабитуации приводит в последующем к более быстрому привыканию.
У планарий известна и другая форма кратковременного научения - сенситизация, которая в известном смысле противоположна привыканию. Если привыкание - это ослабление реакции, то сенситизация - наоборот, усиление ответа на слабый специфический стимул, когда он сочетается с неприятным воздействием, например с электрическим ударом. Если через планарию пропускать слабый электрический разряд, она свернется в шарик; однако очень легкое прикосновение стеклянной палочкой или воздействие слабой струйкой воды не вызывает никакой реакции. Но если один из двух последних стимулов постоянно сочетать с электрическим ударом, планария со временем станет реагировать на эти стимулы, которых она раньше не замечала. Сенситизация - это генерализованный процесс, так как после пропускания тока повысится чувствительность не только к прикосновению или струе воды, но и к множеству других слабых раздражителей. Таким образом, сенситизация лишена специфичности - отличительного признака истинного ассоциативного научения, основанного на попарном сочетании вполне определенных стимулов. В реальной жизни сенситизация и дегабитуация представляют собой весьма близкие процессы.
Привыкание и сенситизация, которые часто объединяют под общим названием неассоциативного научения, можно рассматривать как первые шаги на пути к настоящей памяти; они свойственны всем организмам, имеющим нервную систему. Есть даже кое-какие данные о возможном наличии их и у животных, вовсе лишенных нервной системы, например у парамеций. Но "настоящая" память сохраняется значительно дольше, чем кратковременные последствия привыкания и сенситизации, и отличается большей специфичностью. Ее главный признак - способность формировать ассоциативные, т. е. специфические, связи. Вопрос о наличии у планарий таких более сложных форм научения остается спорным, о чем будет сказано в следующей главе. Тем не менее в процессе эволюции организмов, подобных планариям, появились и рудиментарные формы сложной нервной системы, и базовые блоки поведенческих реакций, из которых в дальнейшем сформировались полноценные механизмы памяти. Для того чтобы выяснить, каков объем памяти у существ с нервной системой такой степени сложности и можно ли считать их (в соответствии со строгими критериями психологов) способными к научению и, в частности, к выработке классических или оперантных условных реакций, требуется теперь лишь изобретательность исследователя, его умение подбирать биологически адекватные тесты. В целом же не может быть сомнения в способности животных с такой нервной системой обучаться и запоминать прошлый опыт.
Дата добавления: 2019-02-13; просмотров: 231; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!