МОЗГ И ПАМЯТЬ Лектор: д.б.н. В.А. Дубынин, биологический ф-т МГУ

психической деятельности, как запускаемые извне рефлексы и формируемые внутри мозга

потребности. Оба они в основе врожденные.
Сегодня мы рассмотрим, как на их базе возни-кают приобретенные составляющие поведения, которые делают реакции нервной системы более разнообразными, сложными и тонко адаптированными к условиям жизни, обитания.

и формирования памяти:
Перед обучением
Обучение
После обучения
Условный
стимул
Безусловный
стимул
Условная
реакция

пища
звонок
пища
Измеряем слюно- отделение в

этот интервал времени (например, 15 сек)

S-образная кривая обучения:
свидетельствует о том, что исходно незначимый стимул стал значимым и теперь запускает реакцию слюноотделения.

значимым и теперь запускает реакцию слюноотделения.

слуховой
и вкусовой
(островковой)
корой; приобре-
тенный рефлекс
«надстраивается»
над врожденным
Язык
Продол-
говатый
мозг и
мост
Таламус

лампочки (иначе – слабый удар тока). Это также пример условного

рефлекса («ассоциативное обучение»).

Центры положительного подкрепления включаются при получении биологически полез-ных стимулов либо избегании биол. вредных стимулов. Анатомически это гипоталамус, базальные ганглии, голубое пятно, дофаминергические структуры среднего мозга.

В формировании нового канала для передачи информации участвуют:
сенсорный (зрительный) центр
центр, запускающий реакцию
промежуточные нейроны коры.

Добавим также центры положитель-ного подкрепления.

счет повышения эффективности соответствующих синапсов.
В основе: активация деятель-ности главного

возбуждающего медиатора мозга – глутами-новой кислоты (глутамата).

Сходная ситуация: крысу учат прыгать на полку в ответ
на вкл. лампочки (иначе – слабый удар тока). Это также пример условного рефлекса («ассоциативное обучение»).

В формировании нового канала для передачи информации участвуют:
сенсорный (зрительный) центр
центр, запускающий реакцию
промежуточные нейроны коры

Добавим также центры положитель-ного подкрепления.

Устойчивая активация глутаматных синапсов – основной способ формирования долговремен-ной памяти, значительная часть которой – ассоциации между любыми сенсорными стиму-лами и любыми реакциями (двигат. и вегетат.).

Эти ассоциации – основа поведен-ческих программ, значимость которых растет при успешной реализации (на нейронном уровне такой рост озна-чает все более выраженную актива-цию синаптической передачи).

будущее, предугадать наступление важных («подкрепляющих») событий и соответствующим образом подготовиться,

скорректировать поведение. Можно прожить и только за счет врожденных реакций, но с обучением лучше!

прячется

БОЛЬ





запах

поиск еды

(без положительного подкрепления).

В любом случае – это модификация синапсов

(и рефлекторных дуг в целом).

Аналогия мозга – Интернет
(обучение = установление устойчивого соединения между двумя точками).

Для дальнейшего разговора обратимся к современной синаптологии.

(медиаторов), вызыва-ющих реакцию следующей клетки
(в пределах нейрона сигнал передается

в форме электрических импульсов – ПД).

синапс

пузырьки (везикулы)
с медиатором
* пресинаптическая

мембрана
* синаптическая щель
* постсинаптическая
мембрана

Основные этапы передачи сигнала в синапсе:

Электрический импульс, бегущий по мембране нейрона (потенциал действия = ПД; длительность около 1 мс, амплитуда около 100 мВ) запускает движение везикул и выброс медиатора в синапт. щель

Медиатор воздействует на постсинаптические белки-рецепторы

3. Рецепторы вызывают возбуждение (вход Na+) либо торможение (вход Cl–) следующей клетки (возбуждение может вести к генерации ПД; торможение мешает возникновению ПД, затрудняя проведение сигнала).

который вызывает открывание электрочувствительных Са2+-каналов (примерно на

2-3 мс).

Приход одного ПД в
среднем вызывает
выброс содержимого
примерно 50 везикул, после чего медиатор действует на белки-рецепторы.

стимул.

Т.е. мозг «обращает внимание» на регулярно повторяющийся (пусть и слабый)

раздражитель.

Классические работы выполнены Эриком Кенделом (Ноб. премия, 2000) на голожаберном моллюске аплизии. Стимул – струя воды из трубочки.
Реакция (пассивно-оборонительная) – втягивание жабры.

Основные механизмы суммации – пресинаптические (прежде всего, накоп-ление кальция и рост числа «лопающих-ся» при очередном стимуле везикул).

синапс, в котором происходит суммация; 4 – сенсорный нейрон; 5

– жабра.

Слабый стимул: реакция только на 5-й раз (интервал между стимулами не должен быть слишком велик).

График накопления ионов кальция в пресинаптическом окончании

Реакция мембраны
мотонейрона

волны воз-
буждения

-50 мВ

-70 мВ

ПД и
запуск
реакции

синапс, в котором происходит суммация; 4 – сенсорный нейрон; 5

– жабра.

Слабый стимул: реакция только на 5-й раз (интервал между стимулами не должен быть слишком велик).

График накопления ионов кальция в пресинаптическом окончании

Реакция мембраны
мотонейрона

волны воз-
буждения

порог
-50 мВ

-70 мВ

ПД и
запуск
реакции

не должен быть слишком велик).
График накопления ионов кальция в пресинаптическом

окончании

Реакция мембраны
мотонейрона

Свойства суммации :

если реакция появилась – она возникает на каждый очередной стимул

чем чаще стимуляция, тем быстрее наступает суммация

суммация может развиться в любом синапсе

срок сохранения модифи-кации синапса – несколько минут («короткая» кратковременная память)

волны воз-
буждения

порог
-50 мВ

-70 мВ

ПД и
запуск
реакции

Примеры: любое ритмическое или постоянное действие на человека сенсорных стимулов (капанье воды, прикосновение, раздражающие звуки, запахи и т.д.).

сильный стимул, запускающий реакцию
если синапс способен к ДолгП, то даже

через несколько часов после сильного стимула слабый раздражи-тель может запускать его реакцию
ДолгП наблюдается только в синапсах с NMDA-рецепторами (медиатор – глутаминовая кислота = Glu).

Глутаминовая к-та

состоит в том, что их канал может блокировать ион Mg2+

(«магниевая пробка» – см. нижний рисунок).

В такой ситуации рецептор выключен, и Glu не вызывает возбуждения синапса.
Однако, если заряд в нейроне оказывается выше уровня -30 мВ, Mg2+ удаляется из канала («выбивание пробки»), и рецептор переходит в рабочее состояние (верхний рисунок).

Этот механизм – один из важнейших способов резко, практически мгновенно усилить эффектив-ность работы синапса (создать новый канал для передачи информации).

Подобные изменения лежат в основе формирования «длительной» кратковременной памяти, поскольку возврат магния обычно происходит только через несколько часов.

Glu, находящихся на той же постсинаптической мембране.
Данный синапс исходно не

про-пускал слабые сигналы, вызы-вающие небольшой выброс Glu.
После однократной сильной стимуляции, запустившей ПД через не-NMDA-рецепторы, произошло «выбивание пробок».

Теперь на постсинаптич. мембране включились NMDA-рец. (обычно их в неск. раз больше, чем не-NMDA), и даже слабый сигнал вызы-вает большое возб-е, запуская ПД.

везикула с Glu
4 – ионный канал, через который входит Na+,

запуская ПД.

Данный синапс исходно не про-пускал слабые сигналы, вызы-вающие небольшой выброс Glu.
После однократной сильной стимуляции, запустившей ПД через не-NMDA-рецепторы, произошло «выбивание пробок».

Теперь на постсинаптич. мембране включились NMDA-рец. (обычно их в неск. раз больше, чем не-NMDA), и даже слабый сигнал вызы-вает большое возб-е, запуская ПД.

для коры больш. полушарий и, осо-бенно, гиппокампа, избирательно связанного с

кратковременной памятью.

Гиппокамп – область старой коры в глубине височной доли. Его аксоны образуют пучок белого вещества – свод. По своду информация через таламус достигает коры больших полушарий и, прежде всего, поясной извилины, а затем возвращается в гиппокамп (круг Пейпеза [Papez]).

Гиппокамп

Свод

с различными сенсорными центрами коры и центрами потребностей (эмоций).

позже приобретает более широкие функции (зрительные и слуховые каналы, эмоционально

значимые события).

Ограничения гиппокампа:
относительно небольшой объем памяти (переполнение – «эффект музея»)
электрошок (электросудорожная терапия) вызывает тотальное выбивание магниевых пробок и ретроградную амнезию (исп-ся, прежде всего, при тяжелых депрессиях; около 1 млн. больных в год); сходный эффект – эпилептические припадки;
информация хранится в течение «рабочего дня» и во сне теряется – если не успела перезаписаться в долговременную форму
сновидения – способ сохранить информа-цию на круге Пейпеза даже во сне.

информации в строго определенный период онтогенеза.


детеныш  образ родителя
родитель 

образ детеныша
место рождения
«пища детства»
потенциальный половой партнер
первый половой партнер и др.

нейрон, запускающий реакцию
БЕЛАЯ
ЧЕРНАЯ
РЫЖАЯ
Импринтинг – врож-денная программа с «пустым» пусковым звеном,

которое заполняется опред. сенсорным образом (зрит., слуховым, обонятельным);
идет без подкрепления;
будучи сформирован, сохраняется
пожизненно
(очень прочен).

Врожденные свойства «мамы»: оптимальный размер, движется, звучит.

эффективность.
РЕЗУЛЬТАТ: сенсор-
ный стимул запускает
ПД и реакцию
Вт.п. = вторичные посредники передают

сигнал от рецептора внутри клетки (цАМФ, ИТФ, ионы Са2+ и др.).

Основной механизм импринтинга – синтез дополнительных рецепторов к Glu и встраивание их в наиболее активный синапс. Для этого – воздействие на ядерную ДНК.

лосихи – импринтинг запаха детеныша.
Полевки – импринтинг «супружеской верности».

В жизни

человека значимо проявляется при первых сраба-тываниях врожденных про-грамм (детское поведение, обо-ронительное, половое, «ранняя детская память» о пищевых отравлениях и др.).

В психологии: «импрессинг».

прежде всего, растет количество рецепторов в обучающемся синапсе.
реакция
двигательный или
вегетативный
нейрон
стимул
сенсорный
нейрон
обучающийся

нейрон

При этом на обучающемся нейроне должны сходиться сенсорный сигнал и информация о конечном успехе деятельности (центры положительного подкрепления).

посредники (цАМФ, ИТФ, ионы Са2+ и др.)
РЕЗУЛЬТАТ: исходно
незначимый стимул

запускает ПД и реакцию

нейрон. В отсутствии условного стимула это давление обеспечивает круг Пейпеза,

записывающий и воспроизводящий информацию о раздражителе, сопровождав-шемся подкреплением. Именно этот механизм лежит в основе перезаписи кратковременной памяти в долговременную.

реакция

двигательный или
вегетативный
нейрон

стимул

сенсорный
нейрон

обучающийся
нейрон

а также к нарушению формирования новой долговременной памяти.

Оливер Сакс «Антрополог

на Марсе»
(Последний хиппи).

Проблема противоположной направленности – сверхпамять, иногда наблюдающаяся у людей с аутизмом, врожденными по-вреждениями ЦНС.
Ким Пик – «Человек дождя».

Центры
положительного
подкрепления

этом мы пока говорили о сенсорно-эмоциональной памяти;
о моторной памяти

необходим отдельный разговор

При этом мы пока говорили о сенсорно-эмоциональной памяти;
о моторной

памяти необходим отдельный разговор.

Обучение идет «фатально», вне прямой зависимости
от сознания;
психотравмы сложно забыть (и порой нужны препараты, ослабля-
ющих память…).

Но чаще все-таки мечтают о веществах, улучшающих память.
Середина 20-го века: гипотеза о «молекулах памяти» – специфи-ческих РНК и белках
(таблетка «алгебра»).
Сейчас мы понимаем, что таких молекул нет, и прямой вход в системы памяти мозга крайне затруден…

высшие психические функции (память, мышление), если эти функции ухудшены в

результате недостаточной зрелости, заболевания,
травмы, хронической перегрузки и т.п.

Ноотропы в значительном числе случаев усиливают выработку энергии нейронами (являются легко метаболизируемыми веществами, сходными с ГАМК).
Но есть и другие группы ноотропов, улучшающие состояние мембран нервных клеток, обмен аминокислот в них, антиоксиданты, витамины и т.п.
Ноотропным действием может обладать даже диета.

Почти все ноотропы действуют мягко, медленно, при хроническом применении (2-3 недели). Исключение: «быстрый» ноотроп СЕМАКС; его введение показано немедленно после инсульта, травмы и т.п.

особенно, если имеется позитивный эмоцио-нальный компонент.
Тогда перед нами антидепрессант либо

психомоторный стиму-лятор, ведущий к форми-рованию привыкания и зависимости (наркотики вызывают патологич. обучение!!!).

Ноотропы в значительном числе случаев усиливают выработку энергии нейронами (являются легко метаболизируемыми веществами, сходными с ГАМК).
Но есть и другие группы ноотропов, улучшающие состояние мембран нервных клеток, обмен аминокислот в них, антиоксиданты, витамины и т.п.
Ноотропным действием может обладать даже диета.

Почти все ноотропы действуют мягко, медленно, при хроническом применении (2-3 недели). Исключение: «быстрый» ноотроп СЕМАКС; его введение показано немедленно после инсульта, травмы и т.п.

особенно, если имеется позитивный эмоцио-нальный компонент.
Тогда перед нами антидепрессант либо

психомоторный стиму-лятор, ведущий к форми-рованию привыкания и зависимости (наркотики вызывают патологич. обучение!!!).

Самостимуляция центров положительных эмоций

стимуляцией прилежащего ядра, если крыса сворачивала налево либо направо.
В

результате была вырабо-
тана четкая ассоциация, позволяющая управлять движением животного.

К Р Ы С А – С У П Е Р А Г Е Н Т

для передачи информации.

Мозг умеет также активно избавляться от неэф-
фективных

программ («отрицательное обучение»).
Оно запускается центрами отрицат. подкрепления
(включаются, если поведение не достигло успеха).

На субъективном уровне при этом возникают отрицат. эмоции,
на уровне информационных каналов – ослабление эффективности синапсов либо подключение к каналам тормозных нейронов.

Стимуляция центров отрицательн.
подкрепления в задней части гипо-
таламуса останавливает всякую
текущую деят-ть («фрустрация»).

В данной области мало работ, но
отрицат. обучение имеет огромное
значение для выстраивания «рей-
тинга» поведенческих программ;
оно же – основа нашего воспитания…
На фото: Хосе Делгадо и бык, 1963.

на глутамат
2. Активация NMDA-рецептора после деполяризации мембраны вызвает образование цАМФ
3.

цАМФ активи-рует
CREB

4. CREB
запускает активацию
ряда генов

5. Активированные гены начинают синтез белков, увеличивающих эффек-тивность синапсов

Нейрон,
принимающий
сигнал

Ген

Ядро

Белки, повышаю-
щие эффектив-
ность синапсов

Фосфодиэстераза
(разрушает цАМФ)

МЕМ 1414 и ряд других препаратов пролонгируют
активацию CREB-
пути, подавляя
фосфодиэстеразу

Активирован-
ный CREB

цАМФ

Ампакины и активаторы CREB – новые группы препаратов, улучшающих запоминание.

CREB (cAMP response element-binding protein) -транскрипционный фактор; связывается с определёнными последовательностями ДНК, которые называются CRE (cAMP response elements), регулируя (усиливая или ослабляя) транскрипцию соответствующих генов.

передачи сигнала:

(1) влияние на гены, ведущее к синтезу дополнительных

глутаматных рецепторов;
(2) фосфорилирование и дополнительная активация глутаматных рецепторов;
(3) встраивание в мембрану находящихся в цитоплазме АМРА-рецепторов.

Обратите внимание на роль вторичных посредников – цАМФ и ионов Са2+, поступа-ющих в постсинаптическую клетку через каналы NMDA-рецепторов.

NMDA, AMPA, каинатные – типы рецепторов к глутаминовой кислоте.