Текст книги "Спортивная психофизиология"

Виды и формы биологической памяти

Обучение и память – неотделимые процессы. Обучение обеспечивает постоянное пополнение знаний и навыков. Память, в отличие от обучения, это не только усвоение и сохранение информации, но и механизм воспроизведения информации для ее использования. Механизм извлечения информации основан на ассоциациях, сходных наущению. Повторение информации способствует упрочению следа памяти, так же как многократное повторение стимулов и их сочетание способствует обучению.

Рассмотрим ряд современных представлений о видах и формах биологической памяти. Биологическая память, по определению И. П. Ашмарина, – это способность живых существ, воспринимая воздействия, закреплять, сохранять и воспроизводить изменения функционального состояния и структуры, вызванные этим воздействием. Биологическая память является одним из главных отличительных признаков живой материи от неживой.

Генетическая намять обеспечивает стабилизацию органических систем, их структурное самовоспроизведение – это память биологического вида, определяющая становление безусловных рефлексов, инстинктов, импринтинга. Нуклеиновые кислоты обеспечивают стабильность хранения информации и являются носителем генетической памяти. Мутагенез лежит в основе изменчивости генетической информации в филогенезе.

Иммунологическая намять – способность узнавать генетически чужеродные тела для их уничтожения при повторной встрече. Иммунокомпетентные лимфоциты являются основными участниками иммунного ответа. Иммунные белки, способные разрушать антигены (чужеродные вещества), называются антителами. Поверхностная мембрана иммунокомпетентного лимфоцита имеет определенный набор антител, являющихся рецепторами для антигенов. Все лимфоциты, несущие одинаковый рецептор, являются потомками одной материнской клетки с таким рецептором и образуют клон. Первая встреча с антигеном ведет к формированию клона – увеличению числа соответствующих лимфоцитов и их разделению на эффекторные клетки и клетки памяти. Эффекторные клетки живут несколько дней, а клетки памяти – всю жизнь.

Нейрологическая, или нервная, намять обеспечивает обработку и хранение информации, приобретаемой организмом в процессе онтогенеза, информацию о событиях внешнего мира и реакциях организма на эти события. В дальнейшем мы будем рассматривать механизмы именно нейрологической памяти.

Формирование, сохранение и воспроизведение энграммы

Память как результат обучения – это изменения в нервной системе, сохраняющиеся в течение некоторого времени и влияющие на характер будущих реакций организма. Комплекс структурно-функциональных изменений, включающий запечатление внешней ситуации и субъективное отношение к этой ситуации, называется образованием энграммы.

Энграмма – след памяти, сформированный в процессе обучения. Утрата энграммы вследствие ее повреждения (отсутствие памяти) – амнезия. Нарушение нейронального электрофизиологического следа в результате электрических или механических воздействий на мозг ведет к ретроградной амнезии, нарушению памяти на события, предшествовавшие воздействию. Антероградная амнезия – неспособность сформировать энграмму после воздействия. Таким образом, антероградная и ретроградная амнезии различаются тем, информация какого периода по отношению к моменту повреждающего мозг воздействия исчезает из памяти.

Изучение нарушений памяти при различных формах амнезии позволяет пополнить данные о механизмах памяти. В настоящее время показано, что для амнезии существенное значение играет не время между обучением и воздействием, а время между воспроизведением следа и воздействием. Травматические воздействия мешают воспроизведению следов памяти – энграмм.

Забывание информации – это не разрушение энграммы, а перевод ее в подпороговое состояние, недоступное для считывания. Энграмма недолговечна, она закрепляется, консолидируется при интенсивных модулирующих процессах.

Спонтанное восстановление следов памяти, утраченных при амнезиях, указывает на то, что энграмма формируется при первом предъявлении стимула, а затем либо остается доступной для воспроизведения, либо нет. Возможно, что в отношении памяти наш мозг подобен компьютеру – информация, стертая пользователем, сохраняется на диске, хотя становится недоступной для предъявления.

У. Пенфилд и Т. Расмуссен выполнили электрическую стимуляцию височных долей поверхности обнаженного мозга у больных эпилепсией в процессе оперативного вмешательства и обнаружили реакцию ретроспекции (возникновение кадров из прошлого), при которой человек вспоминает и связно описывает события прошлого. Люди нередко вспоминали факты, о которых никогда не подозревали сами.

Нарушения памяти при различных формах амнезии, спонтанное восстановление следов памяти и реакция ретроспекции свидетельствуют о справедливости теории активной памяти. Эта теория включает понятие состояние энграммы, предопределяющее готовность энграммы к считыванию. Активность энграммы обнаруживается в возбуждении нейронов. Только активный след доступен для воспроизведения. Большинство же следов памяти находится в неактивном состоянии. Активная память – совокупность активированных старых и новых энграмм.

Наряду с представлением о двух состояниях энграммы существует гипотеза одного следа и двух процессов: первый процесс – формирование «чистого следа», собственно энграммы памяти, и второй процесс – формирование ее неспецифического обеспечения, связанного с состоянием мозга. Энграмма формируется одномоментно, при участии специфических процессов, но ее состояние зависит от неспецифических систем мозга и подчиняется закону Иеркса – Додсона, который гласит: эффективность процессов памяти максимальна при средних уровнях активации. Согласно этой гипотезе, след памяти, сформированный одномоментно, сохраняется навсегда, но его воспроизведение зависит от многих дополнительных факторов. Процесс воспоминания происходит под влиянием доминирующей мотивации, что ведет к образованию информационных молекул, оживляющих энграмму.

По восприятию информации выделяют две формы памяти: осознанную – эксплицитную и неосознанную – имплицитную.

Эксплицитная память обеспечивает хранение четко сформулированной информации и делится на эпизодическую (связанную с индивидуальными для каждого человека событиями) и семантическую (смысловую).

Имплицитная память определяет сохранение последовательности действий при обучении разнообразным навыкам (процедурам) и не всегда может быть описана словами. Люди часто не в состоянии четко сформулировать, что они запомнили, обучаясь ездить на велосипеде, играть на скрипке, кататься на коньках, водить машину. Имплицитная память связана с медленным обучением, при этом происходит фиксация причинно-следственных отношений с помощью активности систем памяти, не касающихся общего запаса знаний.

Информация в эксплицитной памяти может храниться бесконечно долго, а следы имплицитной памяти склонны угасать при отсутствии использования. Вероятно, имплицитная память возникла в эволюционном развитии раньше, нежели эксплицитная.

Единая классификация, основанная на длительности хранения информации, на настоящий момент отсутствует, так как наблюдается несогласованность мнений в отношении продолжительности каждого этапа. Рассмотрим два вида памяти, признаваемые большинством современных исследователей.

Кратковременная память

Кратковременная память – это память на только что минувшие события. Существование кратковременной памяти было показано в конце XIX в. Г. Эббингаузом в экспериментах по воспроизведению случайных последовательностей цифр, букв и символов. Объем кратковременной памяти составляет 7 ± 2 единицы.

В основе механизма кратковременной памяти лежат электрофизиологические процессы, то есть импульсная активность нейронов, возникновение потенциала действия, возбуждающего постсинаптического потенциала, выделение медиаторов в синапсе, циркуляция возбуждения в нейронных цепях. Нейрональный след от воздействия раздражителя в виде последовательности импульсов, передающихся от нейрона к нейрону, сохраняется несколько минут.

Механизмы кратковременной памяти изучались А. С. Батуевым в экспериментах на обезьянах, обученных выполнять нажатие на рычаг в соответствии со стороной предъявления условного сигнала (зажигания лампы). После подачи сигнала наступала пауза, в течение которой обезьяна не имела доступа к рычагу, так как он был скрыт от животного непрозрачным экраном. Это время обезьяна должна удерживать в памяти местоположение сигнала. Детальный анализ периода отсрочки продемонстрировал кратковременные вспышки импульсной активности различных групп нейронов лобной коры либо вспышки активности одних и тех же нейронов.

Пространственно-селективные сенсорные нейроны кодируют пространственное положение сигнала.

Нейроны, переходящие в активное состояние на весь период отсрочки и сохраняющие информацию о пространственном положении, названы нейронами памяти.

Третья группа нейронов возбуждается непосредственно перед моторным актом, это командные нейроны.

Замкнутые нейронные круги типа «ловушек» обнаружены именно в лобных отделах коры. В замкнутых нейронных цепях импульсный поток может циркулировать до переключения эфферентных модулей из крупных пирамид. Лоренте де Но первым описал сложные замкнутые цепи нейронов в разных частях мозга. И. С. Бериташвили показал, что часть звездчатых клеток проекционных зон коры имеет аксон, заканчивающийся в поле своих дендритов, и может работать как ловушка возбуждения.

В лобной коре базовым механизмом кратковременной памяти большинством исследователей признается внутрикорковая реверберация. В теменной коре корковых объединений типа ловушек не обнаружено, здесь преобладают послойно расположенные эфферентные пирамиды. Импульсная реверберация осуществляется по длинным таламокортикальным кольцам прямой и обратной связи. По предположению Дж. Экклса, в длительной таламо-кортикальной реверберации участвуют пирамидные клетки пятого и шестого слоев. Таким образом, процессы кратковременной памяти, вероятно, реализуются механизмами реверберации в лобных и теменных областях. В лобной коре нейронные модули представляют собой нейронные ловушки, а в теменной коре вертикально организованные пирамидные клетки.

Большинство исследователей согласны с тем, что изменение проводимости в сети синапсов после многократного повторения в результате реверберации является основой кратковременной памяти. Продолжительность реверберации составляет около 10 минут. Прямые исследования Вериано с одновременной регистрацией активности нескольких соседних нейронов обнаружили повторяющиеся циклы последовательно возникающих разрядов. Периодические рисунки импульсации возникают от единичного раздражения – это доказывает существование реверберации.

Долговременная память

Долговременная память отличается неограниченным объемом и хранением информации на протяжении всей жизни, в ее основе лежат изменения структуры нейрона. Структурные изменения могут затрагивать синапсы и отростки нейрона – это структурно-химические механизмы, а также изменения синтеза белка – это макро-молекулярные механизмы памяти.

Рассмотрим структурно-химические механизмы памяти на примере долговременной потенциации. Долговременная потенциация впервые была описана для нейронов гиппокампа, обладающих пластическими свойствами, необходимыми для обучения. Высокочастотная электрическая стимуляция гиппокампа для получения короткой серии потенциалов действия в пресинаптическом нейроне ведет к усилению активности постсинаптического нейрона в ответ на одиночные импульсы от пресинаптического нейрона. Такой эффект может сохраняться в течение недель. Долговременная потенциация обусловлена выделением постсинаптической клеткой ретроградного мессенджера, таким мессенджером может быть окись азота. В настоящее время явление долговременной постсинаптической потенциации обнаружено, кроме гиппокампа, в миндалине и мозжечке, а также в синапсе нервной системы моллюска. Долговременная потенциация проявляется в увеличении амплитуды и крутизны возбуждающего постсинаптического потенциала, повышении вероятности генерации потенциала действия, увеличении числа спайков на один тестирующий стимул.

Предполагают, что появление долговременной потенциации обусловлено действием ритмической стимуляции на особые рецепторы, осуществляющие поступление ионов Са²⁺ в клетку. Высокочастотная стимуляция действует через NMDA-рецепторы.

Прохождение электрического импульса через терминаль пресинаптического аксона ведет к выходу медиатора – глутамата – в синаптическую щель. На постсинаптической мембране выделяют две группы рецепторов, активируемых глутаматом, – это NMDA-рецепторы и не-NMDA-рецепторы. NMDA-рецепторы активируются синтетическим аналогом глутамата – N-метил-О-аспартатом, а не-NMDA-рецепторы не активируются этим веществом. Каналы, связанные с NMDA-peцeптopaми, имеют двойные ворота, открывающиеся при выполнении двух условии: к рецептору должен присоединиться глутамат и мембрана должна быть сильно деполяризована (рис. 4).

Рис. 4. Долговременная потенциация

Каналы, связанные с NMDA-рецепторами, пропускают в открытом состоянии большой поток ионов Са²⁺, это очень важно для механизмов памяти. Не-NMDA-рецепторы открывают кальциевые каналы, реагируя на глутамат, без дополнительных условий. Поступление Са²⁺ в нейрон через не-NMDA-рецепторы создает уровень деполяризации, необходимый для реакции NMDA-рецепторов, снимая блокаду этих рецепторов, осуществляемую внеклеточным магнием (Mg). NMDA-рецепторы играют ключевую роль в долговременной потенциации; если заблокировать эти каналы – долговременная потенциация не происходит, хотя синаптическая передача не нарушается. Искусственно регулируя внутриклеточный уровень Са²⁺, можно усилить или предотвратить долговременную потенциацию.

Глутамат активирует NMDA-рецепторы на постсинаптической мембране. Это приводит к запуску последовательности реакций, результатом которых является синтез ретроградного мессенджера – оксида азота. Молекулы этого вещества невелики и легко проходят сквозь постсинаптическую мембрану. Большее количество его инактивируется ферментами, а часть оксида азота возвращается к пре-синаптической терминали и возбуждает рецепторы кальциевых каналов в ней, способствуя дополнительному выбросу глутамата из везикул.

Участие медиаторов в регуляции синаптической передачи не вызывает сомнений. Содержание свободного ацетилхолина в гиппокампе и количество холинорецепторов увеличивается после обучения оборонительному условному рефлексу. Чувствительность нейрона к ацетилхолину возрастает вплоть до фиксации следа памяти. Активация рецепторов ацетилхолина постсинаптической мембраны облегчает обучение, ускоряет фиксацию следа, а антагонисты ацетилхолина нарушают обучение и воспроизведение.

Серотонинергическая и катехоламинергическая системы также участвуют в механизмах долговременной памяти. Условные реакции с электрокожным подкреплением сопровождаются активацией норадренергической системы. Реакции с пищевым подкреплением сопровождаются снижением уровня норадреналина. Роль норадреналина в механизмах памяти показана и в экспериментах с разрушением голубого пятна. Снижение количества норадреналина в результате разрушения голубого пятна замедляет обучение, вызывает амнезию и нарушает извлечение следа памяти. Дофамин является предшественником норадреналина, в связи с этим он также играет роль в процессах памяти.

Серотонин ускоряет обучение и участвует в сохранении навыка, выработанного на положительном подкреплении, нарушая реализацию защитно-оборонительных реакций.

Согласно концепции Е. А. Громовой, моноамины влияют на процессы памяти опосредованно, создавая эмоциональные состояния. Серотонин обеспечивает положительные эмоции, а норадреналин – отрицательные. Моноамины оказывают модулирующее воздействие на холинергическую систему, обеспечивающую информационную составляющую обучения.

Процессы долговременной памяти зависят от метаболизма гамма-аминомасляной и глутаминовой кислот.

Нейропептиды также участвуют в процессах обучения и памяти и могут рассматриваться в качестве маркеров специфических нейронных путей.

В настоящее время наиболее изучены влияния на процессы памяти гормонов гипоталамо-гипофизарной системы и фрагментов этих гормонов.

Рассмотрим влияние гормонов гипофиза на процессы памяти. Введение адренокортикотропного гормона стимулирует запоминание. Эффект гормона ослабевает при увеличении интервала между обучением и введением гормона.

Окситоцин ухудшает когнитивные способности. Студенты, хорошо сдавшие сессию, отличались от плохо сдавших студентов низким содержанием окситоцина в крови, независимо от пола обследованных лиц. Окситоцин рассматривается как естественный амнезирующий нейропептид, он нарушает сохранение любых навыков. Синтез и секреция этого гормона усиливается в женском организме во время полового акта, беременности, родов и кормления ребенка. Механизмы, регулирующие синтез этого гормона у мужчин, изучены недостаточно. Окситоцин является естественным противотревожным фактором, стимулируя состояние безмятежности как у мужчин, так и у женщин.

Роль вазопрессина в механизмах памяти была продемонстрирована в экспериментах с разрушением гипофиза у животных, что приводило к значительному дефициту памяти. Подтверждение положительного влияния вазопрессина на процессы консолидации энграмм было получено в опытах на генетической линии крыс с дефицитом вазопрессина. Животные этой линии страдали нарушением памяти, что проявлялось в ухудшении консолидации следов, а не самого процесса обучения. Инъекции вазопрессина улучшают процесс консолидации у животных с дефицитом этого гормона.

Нейропептиды играют роль в консолидации памяти, оказывая пре– и постсинаптическое модулирующее действие. Пептид-спутник может повышать сродство рецепторов постсинаптической мембраны к медиатору в тысячи раз, кроме того, он более стабилен, что обеспечивает пролонгирование проведения через синапс. Усиление активности нейрона ведет к избыточному выделению пептида-спутника. Оперативное функциональное объединение нейронов может происходить на основе нейрохимического воздействия пептидов.

Взаимодействие нейропептидов с медиаторами подтверждается опытами с разрушением норадренергической системы, что приводит к отсутствию эффекта усиления консолидации под влиянием вазопрессина. Приведем основные сочетания медиаторов с пептидами-спутниками.

Выделение норадреналина часто сопровождается выделением нейропептида X опиоидных пептидов и соматостатина.

Выделение дофамина сопровождается выделением холицестокинина и энкефалина.

Выделение ацетилхолина сопровождается выделением вазоактивного интестинального пептида, энкифалина, люлиберина.

Выделение серотонина сопровождается выделением вещества Р, тиреолиберина и холицистокинина.

Интересно, что эндогенные опиаты (эндорфины и энкефалины) ухудшают формирование условных рефлексов, но улучшают их сохранение и замедляют угасание, заметно улучшают память. Эндогенные опиаты синтезируются и выделяются при физической нагрузке и при стрессе, они вызывают чувство эмоционального подъема, длящееся и после прекращения нагрузки.

В последнее время ведется интенсивный поиск веществ – переносчиков памяти, увеличивающих способность к обучению или способствующих формированию определенного навыка у реципиента. Например, введение животным ликвора крыс, у которых было выработано отвращение к сахариновому раствору, ведет к снижению потребления раствора реципиентами. Несмотря на целый ряд сенсационных работ, проведенных в этом направлении, вопрос о физиологическом механизме такого переноса памяти пока остается открытым.

Конечным звеном, реализующим процессы обучения и памяти, является, по-видимому, изменение белкового метаболизма.

Сложная структура генетического контроля, обеспечивающего адаптацию организма к изменениям внешней среды, была показана в работе по исследованию белкового синтеза у бактерий. Существование особых белков, регулирующих экспрессию генов, было показано Ф. Жакоб и Ж. Моно в 1961 г., за эту работу они были удостоены Нобелевской премии. Рассмотрим ход эксперимента, подтверждающего существование особых белков – регуляторов экспрессии генов. Если бактерии поместить на среду, содержащую лактозу, не являющуюся традиционным источником углерода, то молекулы лактозы, проникая в клетку, запускают механизм синтеза фермента, необходимого для расщепления лактозы. Синтез такого фермента становится возможным в результате изменения белка-репрессора, подавляющего транскрипцию ДНК и РНК. Регуляторные белки контролируют экспрессию генов, присоединяясь к ДНК или отделяясь от нее.

Существует несколько моделей, связывающих память с генетическими структурами нейрона. Предполагается, что обучение стимулирует процесс экспрессии генов, который обеспечивает синтез многих классов белков (рибосомных, синаптических).

Рассмотрим двухфазную модель синтеза белка как основу долговременной памяти, предложенную Э. Глосманом 1969 г. Согласно этой модели, белок-1, синтезируемый во время обучения, активирует специфические гены, кодирующие РНК. РНК определяет, в свою очередь, синтез белка-2. Белок-2 участвует в консолидации памяти благодаря упрочению синаптических связей. В настоящее время эта модель получила свое подтверждение на многих объектах как с применением гель-электрофореза белков, так и с помощью радиоактивных методов.

Первая фаза активации соответствует индукции «ранних генов», например гена с-К^. В настоящее время клонировано около ста ранних генов, их продукты являются регуляторными белками. Ранние гены контролируют транскрипцию поздних генов, кодирующих белки-2 с помощью регуляторных белков (белков-1), которые оказывают влияние на промоторные области поздних генов. Экспрессия ранних генов исчезает с автоматизацией навыка. Стимуляция экспрессии ранних генов отмечена при помещении животного в сенсорно-обогащенную среду, при отмене ожидаемого отрицательного подкрепления и в связи с трудностями в обучении.

Выявлена общность молекулярного каскада экспрессии генов при обучении и развитии. Предполагается, что память использует тот же генетический аппарат, который связан с онтогенезом, ростом и дифференцировкой клеток. Ключевую роль в этих процессах играют экстраклеточные сигналы, активирующие вторичные посредники. Вторичные посредники (мессенджеры) высвобождают протеинкиназы, транспортирующиеся в ядро, вызывая в конечном итоге экспрессию ранних генов.

В результате отбора на протяжении двадцати четырех поколений особей мясной мушки, способных и неспособных к обучению, продемонстрировано, что успешность обучения определяется целым рядом генов, а за сенситизацию отвечает только один ген, участвующий в процессах обучения.

Предложено две гипотезы изменения синаптических контактов при обучении: функциональная теория говорит об изменении соотношения активных и пассивных синапсов без изменения общего числа синапсов, а структурная теория предполагает создание новых синапсов в процессе обучения.

Макромолекулярные механизмы памяти основаны на структурных изменениях нейронов, обеспечиваемых синтезом белка. Угнетение белкового синтеза на фоне выработки рефлекса сохраняет рефлексы на протяжении десятков минут, но спустя часы и сутки наблюдаются грубые нарушения в сохранности навыков. Это указывает на ведущую роль белка в консолидации энграммы. В настоящее время выделено два нейроспецифических белка, участвующих в механизмах памяти. В гиппокампе особенно увеличивается содержание белка 8-100, а в коре головного мозга белка 14-3-2. Синтез белка необходим на стадии консолидации памяти во время обучения и сразу после него; для хранения информации он уже не нужен.

Согласно модели Е. Н. Соколова, мембрана нейрона проецируется на геном. Участок генома с экспрессированными или депресси-рованными генами соответствует локусу мембраны, содержащему специфический рецепторный белок, обладающий транслокационной группой. Активация белка и перемещение белка-регулятора к определенному участку генома вызывает экспрессию генов. В результате синтезируется белок-модулятор, который транспортируется к тому участку мембраны, который был активирован.

Экспрессия генов, вызванная однократно, затем длительно удерживается, обеспечивая синтез белков, регулирующих работу рецепторов. Выработка нового условного рефлекса активирует другую комбинацию синапсов и нейромедиаторов. Другой белок-модулятор переводит соответствующий рецепторный белок в реактивное состояние, и рецептор может длительно присоединять медиатор. Синтез белков-модуляторов влияет на эффективность протеинкиназ, регулирующих закрытие калиевых каналов.

Значительное влияние на изучение механизмов памяти оказало открытие явления обратной транскрипции, то есть возможности синтеза ДНК на основе РНК. Быстро обучающиеся животные отличаются более высокой активностью обратной транскрипции. Предполагается возможность интеграции в геном ДНК, копированных с РНК. Это обеспечит синтез клеточных структур, необходимых для сохранения новых нейронных связей.

Индукция синтеза ДНК под влиянием обучения затрагивает в основном фрагменты, регулирующие считывание информации. Психотропный препарат пирацетам, применяемый при лечении больных, страдающих нарушениями памяти, ведет к увеличению синтеза ДНК, это было показано в экспериментах на крысах.

Электрофизиологические процессы запускают нейрохимические и нейро структурные изменения в нейронах, которые на начальных этапах идут параллельно и отличаются временем протекания этих процессов.

Модификации на клеточном уровне, изученные при обучении цыплят избегать склевывания горькой бусинки, позволили выделить несколько временных отрезков образования энграммы:

– изменения NMDA-peцeптopoв глутаматом сохраняются несколько секунд;

– действие киназ на белки ионных каналов пресинаптической мембраны и экспрессия ранних генов продолжается от нескольких минут до нескольких часов;

– синтез новых белков мембран в результате экспрессии поздних генов наступает через один час после воздействия и длится до шести часов;

– образование дополнительных шипиков и увеличение площади постсинаптических уплотнений, образованных плотно пригнанными рецепторами, наблюдается через 12 часов и длится до 24 часов.