8.3.2. Долговременная память при габитуации и сенситизации

При габитуации и сенситизации были обнаружены две ступени образования памяти: кратковременная и долговременная. Однократное действие серии слабых стимулов приводит к непродолжительной габитуации, а однократно применённый сильный раздражитель или однократное действие серотонина вызывают кратковременную сенситизацию, наблюдаемую на протяжении лишь нескольких минут. Четыре-пять таких тренировок, следующих друг за другом, приводят к долговременной сенситизации, сохраняющейся в течение суток, а при дальнейшем повторении тренировок сенситизация может сохраняться на протяжении 3 недель и больше.

При повторяющихся тренировках или повторяющемся действии серотонина в клеточное ядро сенсорного нейрона постепенно перемещается некоторое количество цАМФ-зависимой протеинкиназы, что вызывает фосфорилирование регуляторных белков, управляющих процессом транскрипции - считывания информации с молекулы ДНК. В результате активируются гены, определяющие синтез белков, необходимых для дополнительного образования активных компонентов всё той же цАМФ-зависимой протеинкиназы. Одновременно с этим начинается синтез белков, участвующих в образовании дополнительных синапсов. Сенсорный нейрон может увеличивать количество своих пресинаптических окончаний в два раза, одновременно с этим в них возрастает численность активных зон, из которых непосредственно выделяется медиатор. Помимо этого образуются дополнительные шипики на дендритах мотонейрона, которые вступают в синаптические контакты с дополнительными пресинаптическими окончаниями аксона сенсорного нейрона (Рис. 8.5). При длительной габитуации наблюдаются противоположные изменения: количество синаптических связей между сенсорным и моторным нейронами уменьшается приблизительно на 1/3 с одновременным уменьшением числа активных зон в синапсах.

Привыкание и сенситизация являются неассоциативными формами научения. Болевой стимул или действие серотонина вызывают сенситизацию независимо от совпадения во времени с тактильными раздражениями. Открытие механизмов привыкания и сенситизации, позволило увидеть в уменьшении или увеличении тока кальция в пресинаптическое окончание один из механизмов кратковременной памяти. Образование долговременной памяти оказалось связанным с использованием вторичных посредников, экспрессией генов и возникновением дополнительных синапсов. Такие механизмы изменения эффективности работающих синапсов могут быть использованы во всех регионах и синапсах мозга, хотя ни в одном из них нет специфических «нейронов памяти».

8.3.3. Ассоциативное научение (условные рефлексы)

В 1949 году канадский учёный Доналд Хебб (Hebb D.O.) сформулировал гипотезу, объясняющую нейронные основы ассоциативного научения. Он предположил, что между разными видами специфических нейронов в центральной нервной системе могут существовать малоэффективные и даже нефункционирующие синапсы. Например, естественная реакция на звуковой раздражитель не связана со слюноотделением, поскольку возбуждение нейронов слуховой сенсорной системы не передаётся к нейронам, регулирующим пищеварительную деятельность, из-за низкой эффективности синаптической передачи между этими нервными центрами. При частом сочетании звукового сигнала с вкусовыми ощущениями некоторые малоэффективные синапсы начинают функционировать, благодаря чему один лишь звуковой сигнал вызывает слюноотделение. Изменения в синапсах могут быть следствием биохимической модификации или увеличения контактирующих участков между пресинаптическими и постсинаптическими нейронами: гипотетическая модель такого преобразования получила название синапса Хебба (Рис. 8.6).

Классический условный рефлекс, представляющий собой более сложную, чем габитуация или сенситизация, форму научения, отличается необходимостью запомнить значение совпадения во времени двух стимулов: слабого, обычно не вызывающего никакого ответа вследствие стойкого привыкания к нему, с сильным, всегда вызывающим закономерную рефлекторную реакцию. Об образовании условного рефлекса можно говорить в том случае, когда слабый стимул, несколько раз подействовавший непосредственно перед сильным стимулом, начнёт вызывать такую же реакцию, как и сам сильный стимул. Формирующаяся при образовании условного рефлекса память оказывается более стойкой, чем при габитуации или сенситизации.

Условный рефлекс у аплизии можно выработать, используя в качестве слабого раздражителя действие струи воды или прикосновение к коже сифона или мантии (условный раздражитель) и подкрепляя слабый стимул действием сильного разряда электрического тока на область хвоста (безусловный раздражитель). Поначалу резкое раздражение хвостовой области всегда вызывает защитное втягивание жабры (безусловный рефлекс), тогда как слабое раздражение кожи сифона или мантии не вызывает никакой реакции вследствие привыкания. После нескольких сочетаний действия слабого раздражителя с сильным стимулом, слабый раздражитель тоже начинает вызывать энергичное втягивание жабры (Рис. 8.7). Сифон и мантия содержат механорецепторы двух независимых популяций сенсорных нейронов, что позволяет сравнить результат раздражения каждой из этих областей, подкрепляя болевым стимулом слабое воздействие только на одну из них. Если подкреплять сильным раздражителем прикосновение к мантии, то образуется условный рефлекс втягивания жабры при одном лишь касании мантии. Но, если прикосновение к коже сифона никогда не подкреплялось действием болевого стимула, то и условный рефлекс на раздражение кожи сифона не образуется.

Различия объясняются тем, что в пресинаптическое окончание подвергнутого раздражению сенсорного нейрона мантии входит небольшое количество ионов кальция. На фоне возбуждения действует серотонинэргический интернейрон, активированный сенсорным нейроном хвостовой области. Серотонин присоединяется к метаботропным рецепторам и через посредничество G-белка активирует аденилатциклазу. Аденилатциклаза вызывает образование цАМФ, что приводит к активации цАМФ-зависимой протеинкиназы. Протеинкиназа способствует фосфорилированию регуляторных белков, которые управляют экспрессией генов, имеющих отношение к системе цАМФ. Одновременно с этим повышенная концентрация ионов кальция способствует их соединению с кальмодулином, тоже являющимся вторичным посредником, а соединение кальций-кальмодулин усиливает действие аденилатциклазы.

Механизм усиления синаптической передачи сходен с процессами, происходящими во время сенситизации, с той лишь разницей, что для образовании условного рефлекса всегда требуется ассоциация двух сенсорных стимулов. В окончании сенсорного нейрона сифона описанные процессы не происходят, поскольку он не возбуждён, его кальциевые каналы закрыты и потому не возникает необходимое для последующих событий взаимодействие кальция с кальмодулином.