Основы психофизиологии

Этот факт придает совершенно неожиданный оборот мысли известного палеонтолога и философа Тейяра де Шардена, что «история жизни есть, по существу, развитие сознания, завуалированное морфологией» (Тейяр де Шарден, 1965). Очевидно, что еще до наступления эпохи молекулярной биологии, выдающемуся гуманисту удалось интуитивно заметить одну из основных тенденций генетической эволюции -- ее связь с эволюцией функций нервной системы.

Объяснение этого «молекулярно-генетического феномена мозга» становится сегодня одной из центральных задач нейронауки. Она сводится к необходимости ответить на вопрос: посредством каких из своих свойств нервная система определяла «нейроэволюцию» -- эволюцию генома в направлении накопления генов, экспрессирующихся в мозге?

20.2.1 В эволюции мозга использовались гены, ранее выполнявшие не нервные функции

По мере клонирования генов, работающих в нервной системе, постепенно выяснялось, что при создании мозга эволюция пользовалась, выражаясь словами Ф. Жа;-коба, «методом перелицовки старого». Оказалось, что в построении структур мозга млекопитающих участвуют гены, функции которых на более ранних этапах эволюции не были связаны с нервной системой.

Разберем лишь один из примеров подобного эволюционного консерватизма.

Белки, кодируемые геном SEC 1 у дрожжей обусловливают доставку секретер-; ных пузырьков к плазматической мембране. Это составляет только одно из звеньев целого секреторного каскада, включающего везикулярный транспорт из эндоплаз' матического ретикулума (ЭР) в комплекс Гольджи, а оттуда к плазматической мембране или вакуоли.

Гомолог гена SEC 1 был обнаружен и у млекопитающих. Оказалось, что он специфически экспрессируется в нервной системе и что кодируемый им белок участвует в механизмах секреции нейромедиаторов из синаптических везикул.

Сегодня известно, что в транспорте синаптических везикул к пресинаптической мембране во время нейросекреции критическую роль играют два семейства белков -- VAAfP белки (или синаптобревины), расположенные на синаптических пузырьках, и синтаксины, расположенные на специфических участках пресинап-тической мембраны. У дрожжей были найдены гомологи синаптобревинов и син-таксинов, и оказалось, что они также участвуют в процессах секреции (табл. 20.1).

Кроме того, было обнаружено, что Seel взаимодействует с двумя белками дрожжей -- Ssol и Sso2, Оба эти белка оказались родственны семейству синтаксинов, участвующих в синаптическом высвобождении нейромедиаторов у млекопитающих.

В результате вырисовывается картина (табл. 20.1), в соответствии с которой процессы мембранного транспорта в секреторных путях обеспечиваются группой консервативных генов, которые обнаруживаются от дрожжей до нервных клеток млекопитающих. Некоторые из этих генов известны, однако другие Sec гены еще предстоит идентифицировать, причем весь предыдущий опыт подсказывает, что обнаружение генов этой группы у дрожжей может служить надежным предсказанием их функций в клетках мозга млекопитающих (Bennet, Sheller, 1993; Pfeffer, 1994).

Широкое распространение такого молекулярного консерватизма (Albright et al, 2000) означает, что одним из главных условий решения проблемы «нейроэво-люции» должно быть установление принципов вовлечения генов, возникших на донервных этапах эволюции, в развитие и обеспечение функций нервной системы у сложно ргранизованных организмов.

20.2.2 Важную роль в эволюции нервной системы играли гены, контролирующие ее развитие

Одно из важных открытий молекулярной генетики последних лет состоит в том, что не все гены организма, по-видимому, имели одинаковое значение в механизмах эволюции. Наиболее существенную роль в эволюции органов, в том числе и нервной системы, вероятно, играли те же самые гены, которые контролируют и критические стороны развития этих структур (см. гл. 19). В терминах разделения генов на «селекторные», регулирующие развитие, и «реализаторные», которые в конечном счете обеспечивают построение структур (Tautz, 1996), это в первую очередь «селекторные» гены. Часто эти гены кодируют транскрипционные факторы -- белки, регулирующие экспрессию других генов. Типичным примером могут служить го-меобоксные гены.

Гомеобоксные гены кодируют транскрипционные факторы, содержащие консервативный ДНК-связывающий участок из 180 аминокислот и выполняющие разнообразные функции в ходе развития. Они широко представлены у всех эукариот, но претерпели обширную радиацию у ранних многоклеточных, превратившись в ряд гомеобоксных семейств, общих для многих классов многоклеточных. У большинства животных гомеобоксные гены определяют развитие структур вдоль передне-задней оси тела. На ДНК эти гены сгруппированы в комплексы, и позиция генов внутри комплекса коррелирует со временем их экспрессии в развитии и зоной экспрессии вдоль оси тела.

К числу таких гомеобоксных генов относятся гены, входящие в состав комплекса antennapedia-bithorax, -- регуляторные гены, контролирующие развитие структур вдоль передне-задней оси у дрозофилы (рис. 20.1). Однако гомологи этих генов у позвоночных, известные как гены семейства Нох, экспрессируются преимущественно в перекрывающихся доменах спинного и головного мозга (рис. 20.2). Их экспрессия обнаруживается в эмбриональном мозге мышей и человека и имеет выраженную приуроченность к морфологическим сегментам нервной системы. Мутации в определенных Нох генах ведут к нарушениям развития или полному отсутствию соответствующих ром-бомер-специфичных нервных структур (Akam, 1995; Double, Morata, 1994; Krumlauf et al., 1993).

Какую главную проблему рождают эти и другие сходные исследования в быстро развивающейся области эволюционной молекулярной генетики развития? Демонстрируя молекулярное взаимопроникновение механизмов развития и эволюции, они поднимают критический вопрос о принципах преемственности и смены функций генов в условиях эволюционно усложняющейся морфологической организации.

Решение этого вопроса критически зависит от понимания функций генов в процессах естественного отбора.

20.3 ПРОБЛЕМА НЕЙРОЭВОЛЮЦИЙ СВЯЗЫВАЕТ БИОЛОГИЮ С ПСИХОЛОГИЕЙ

Естественный отбор, действующий на гетерогенные по составу популяции организмов, приводит к дифференциальному размножению тех особей, которые имеют преимущества по тем или иным показателям приспособленности. Измененная отбором популяция имеет и измененные пропорции генов, которые были связаны с признаками, попавшими под действие естественного отбора. В связи с этим, для анализа процессов эволюции в современной эволюционной биологии используют показатель относительного изменения частот генов в популяции. Однако естественный отбор не действует непосредственно 1 на уровне генов. Он происходит на уровне целостных организмов (фенотипов) и их взаимоотношений со средой. Именно в ходе естественного отбора, который действует на функции и структуры, увеличивающие выживаемость или размножение, происходят популяционные изменения частот генов, связанных с этими функциональными системами. Поэтому для понимания механизмов эволюционных преобразований функций генов необходим свод «трансформационных правил», который бы связывал изменения в «пространстве генотипов» с изменениями в «пространстве фенотипов».

С помощью ясного графического анализа известный генетик Р. Левонтин продемонстрировал, что для соотнесения изменения частот генов с реальным процессом естественного отбора требуется набор из четырех таких трансформационных правил (рис. 20.3). Первое (Г,) связывает зиготы (G,), через процессы эмбрионального развития, с теми признаками организма, которые несут селективные преимущества. Второе (Г2) определяет преобразования зрелых фенотипов на протяжении индивидуальной жизни и связано с экологическими взаимодействиями в процессе борьбы за существование, спаривания и естественного отбора. Третье (Г3) соотносит фенотипы с образованием половых клеток, законами рекомбинации и другими зависимостями, проецирующими фенотипы на генотипы. Наконец, четвертое (Г,) описывает формирование новых зигот (С,) и определяется правилами сортировки генов, такими как законы Менделя и закон Харди-Вайнберга, позволяющими, исходя из родительских генотипов, предсказывать генотипы следующего поколения., Таким образом, данный набор правил трансформации образует своеобразный «эволюционный цикл». Для нас в этом цикле особенно важны две фазы -- Г( и Т2. На первой из них происходит развитие функциональных структур организма, обеспечивающих выживание и размножение, а на второй -- использование этих структур в ходе естественного отбора. У организмов с высокоразвитой нервной системой фаза Т2 тесно связана с механизмами адаптивной модификации сложившихся в развитии функциональных систем или формирования новых, то есть с процессами индивидуального обучения (см. гл. 15) и системогенеза новых поведенческих актов (см. гл. 14). Где-то в роли этих процессов в естественном отборе и следует искать решение проблемы нейроэволюции -- ответ на вопрос, почему в нервной системе наблюдалась такая концентрация эволюционных генетических изменений?

Особенность анализа этой проблемы в терминах эволюционного цикла состоит в том, что он помещает ее в контекст более широкого круга биологических вопросов. Действительно, любой орган и его функции, возникшие в ходе биологической эволюции, должны были создаваться внутри этого цикла. Поэтому, чтобы понять психику как функцию определенной динамической организации структур, мозга и тела, следует понять, как эти структуры и их организация возникли в ходе i биологической эволюции. Это составляет часть проблемы морфологической эволюции -- одной из центральных нерешенных проблем современной биологии. Ее решение, в свою очередь, требует теории эволюции эмбрионального развития, теории, описывающей процессы генерации новых структур в организме. Наконец, решение этой проблемы не может быть полным, если не включить в нее описание механизмов отбора этих структур соматическим и естественным отбором в процессах, определяемых поведением и психикой.

Следовательно, мы оказываемся в своего рода «циркулярной ловушке», выход из которой возможен только при совокупном решении всех составляющих ее вопросов. Вследствие этого, проблема происхождения и адаптивных функций психики и проблема нейроэволюции перестают быть предметом только психологии и наук о мозге. Для решения проблемы нейроэволюции требуется единая теория, связывающая эмбриологию, морфологию, физиологию и психологию. Исследования, учитывающие факт нейроэволюции, обязаны показать, как поведение и опыт вписывают новую морфологию, возникающую при генетически измененном развитии мозга, в процессы адаптации, оцениваемые на весах естественного отбора. Они должны также ответить на вопрос, как две фазы эволюционного цикла -- обучение и развитие -- связаны с генами и регуляцией их экспрессии в мозге.

В следующих разделах мы рассмотрим некоторый материал, накапливающийся для решения этой проблемы.

20.4 МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА УСТАНАВЛИВАЕТ КОНТАКТ МЕЖДУ РАЗВИТИЕМ МОЗГА И НАУЧЕНИЕМ

Итак, молекулярно-генетические исследования последних лет показывают, что мозг млекопитающих является самым сложным по генетическому обеспечению органом тела. Более половины генов человеческого генома связаны с его построением или функционированием. Это обстоятельство рождает проблему «нейроэволюции» -- вопрос о том, благодаря каким своим свойствам и каким образом мозг накапливал в эволюции такое число работающих в нем генов. Решение этого * вопроса должно осуществляться с учетом того, что в мозге работают многие из генов, возникшие еще до появления нервной системы или первоначально не связанные с ее функциями. Многие из этих генов у млекопитающих обеспечивают процессы развития нервной системы и кодируют различные транскрипционные i факторы. Приобретение ими мест экспрессии в нервной системе должно было , происходить под контролем естественного отбора на их функции в мозге, дающие

Новые данные молекулярной генетики дают основание считать, что граница между развитием нервной системы и научением в действительности гораздо менее отчетлива, чем это считалось ранее увеличение преимущества в выживании и/или размножении. Эти функции могли осуществляться на двух фазах эволюционного цикла. Одна из них -- формирования видоспецифических адаптивных функциональных систем, а вторая -- их модификации и приспособление к меняющимся условиям среды за счет поведения и индивидуального обучения. Поэтому для решения проблемы нейроэволюции и построения биологического фундамента психологии первостепенное значение приобретает изучение генетических основ обучения, развития нервной системы и молекулярно-генетического взаимодействия этих двух доменов.

Установление этих связей сталкивается со сложностями, поскольку и биология развития, и физиология научения, каждая имеют свою независимую историю, свои традиции, свои методы и подходы. Нейрофизиология поведения, научения и памяти долгое время оперировала в основном электрическими процессами, активностью отдельных нейронов, изучала механизмы регуляции эффективности синаптической передачи (гл. 2, 14, 15). В биологии развития традиционно господствовало изучение морфогенетических полей, градиентов, организаторов, взаимодействий слоев клеток. Исследования в этих дисциплинах очень незначительно перекрывались и на шкале индивидуального развития организма. Однако новые данные молекулярной генетики дают основание считать, что граница между развитием нервной системы и научением в действительности гораздо менее отчетлива, чем это считалось ранее.

Наиболее конструктивным для установления контакта между физиологией научения и биологией развития, оказалось исследование молекулярных основ консолидации договременной памяти.

20.4.1 Формирование нового опыта требует экспрессии генов в мозге

Современные представления о молекулярно-биологических механизмах обучения и памяти строятся на положении о кратковременной и долговременной формах хранения информации в мозге (гл. 6). В основе этой теории лежит открытие Г. Мюллера и А. Пильзекера, обнаруживших в 1900 г., что переход из кратковременной и легко нарушаемой памяти в долговременную и устойчивую память происходит у человека в течение первого часа после получения им новой информации. Они назвали этот процесс консолидацией памяти (Muller, Pilzecker, 1900).

Основным шагом в понимании биологических механизмов консолидации памяти стало открытие 1960-х гг., показавшее, что переход памяти из кратковременной в долговременную форму требует синтеза новых молекул РНК и белка, т.е. экспрессии генов. Было установлено, что волна синтеза новых белков в клет-ках при запоминании информации совпадает с периодом консолидации памяти, обнаруженным Мюллером и Пильзекером, а химическая блокада экспрессии генов в этот период нарушает образование долговременной памяти (Davis, Squire, 1984). Оказалось также, что «критическое окно» амнестического действия бло-каторов экспрессии генов универсально для самых разных видов обучения и различных организмов, от беспозвоночных до человека (Goelet et al., 1986). Данное предположение также хорошо согласовывалось с гипотезой об участии клеточного роста и изменения морфологии синапсов в долговременной памяти (Tanzi, 1893; НеЬЬ, 1949).

Таким образом, понятие долговременной памяти постепенно трансформировалось из условного обозначения относительной продолжительности явления в компонент биологической концепции, связывающей научение и опыт с морфогенезом и развитием (Bailey, Kandel, 1994). Критическим звеном этой концепции стал молекулярный механизм консолидации памяти, отождествляемый с активацией транскрипции генов в нервных клетках при научении. Однако то, какие именно гены активируются в при научении и каковы их функции в нервных клетках, долгое время оставалось неизвестным.

20.4.2 При научении в мозге активируются гены транскрипционных факторов

Первыми генами, активация которых была обнаружена в мозге при обучении, оказались так называемые «непосредственные ранние гены», кодирующие транскрипционные факторы.

«Непосредственные ранние гены» были впервые обнаружены при изучении механизмов геномного ответа на действие факторов роста, запускающих процессы клеточного цикла (Greenberg, Ziff, 1984; Lau, Nathans, 1985). Индукция их транскрипции происходила несмотря на подведение ингибиторов синтеза белка, то есть строилась на механизмах, заранее готовых для восприятия экстраклеточных стимулов. Первые из идентифицированных продуктов генов данного семейства оказались ядерными белками, связывающимися с ДНК и регулирующими транскрипцию других генов. По этим свойствам данные гены значительно напоминали группу «непосредственных ранних генов» бактериофагов и эукариотических ДНК-вирусов, поэтому, по аналогии с вирусными генами, эта группа быстро активирующихся генов получила название «клеточных непосредственных ранних генов» (Lau, Nathans, 1985). Это же семейство часто обозначается как «гены первичного ответа», «гены раннего ответа» или просто «ранние» гены (Анохин, 1997).

Одним из первых в данной группе был клонирован ген c-fos. Его структура и свойства хорошо изучены, и он может служить прототипом генов данного семейства. Первоначально было установлено, что в ходе эмбрионального развития c-fos

Число генов «пластичности», индуцируемых в нервной системе, по некоторым оценкам, может составлять до 1000 играет важную роль в регуляции процессов клеточного роста и пролиферации. Оказалось также, что один белок, кодируемый геном c-fos, сам по себе не может инициировать или подавить транскрипцию генов-мишеней, необходимых для инициации клеточного деления или дифференцировки. Он должен образовать димеры с молекулами других транскрипционных факторов, объединяемых в семейство, получившее название АР-1 (Curran, Morgan, 1987). Помимо c-fos в это семейство входят fos-B, c-jun, jun-B,jun-D,fra- 1,fra-2 и ряд пока еще не идентифицированных генов. Кроме того, были клонированы и другие ранние гены, такие как ets-1, ets-2, Мус, Myb, Krox-20, zif/286, NGFI-B, mKr2, Arg3.1 (Sheng, Greenberg, 1990; Herdegen, Leath, 1998). Продукты многих из них, хотя и не всех, также являются регуляторными белками, контролирующими транскрипцию. Гены, экспрессия которых находится под контролем индуцируемых транскрипционных факторов, были названы, по аналогии с вирусными системами, «поздними» генами, «генами позднего ответа» или «эффекторными» генами (Curran, Morgan, 1987), а весь двухфазный механизм регуляции транскрипции с участием этих двух классов генов является одним из наиболее универсальных способов обеспечения процессов клеточного деления и роста в развитии (рис. 20.4).

Внеклеточные стимулы (гормоны, факторы роста, нейромедиаторы) могут вызвать активацию транскрипции «ранних» генов, включая гены c-fos и c-jun. Воздействие экстраклеточных сигналов на промоторы этих генов осуществляется посредством вторичных мессенджеров. Fos,Jun и ряд других белков этого семейства синтезируются в цитоплазме и быстро траспортируются в ядро, где могут образовывать гетеро- и гомодимерные комплексы. Эти комплексы обладают специфической ДНК-связывающей активностью и способны изменять транскрипцию других генов-мишеней («поздних» генов)

В условиях, ведущих к процессам научения, -- при потере результативности ранее выработанных действий животного, при новых и неожиданных воздействиях среды или исчезновении привычных и ожидаемых событий -- происходит быстрая активация транскрипции НРГ в нервной системе

Активация транскрипции НРГ начинается сразу после попадания животных в ситуацию обучения

Экспрессия НРГ при научении происходит в нервных, но не глиальных клетках

Паттерны распределения клеток, экспрессирующих ранние гены, имеют генерализованный характер и охватывают обширные районы мозга. Конкретная топография экспрессии определяется характером воздействия и задачами обучения

Экспрессия НРГ регулируется обучением в разные сроки постнатального развития, от рождения до взрослого возраста

Активация НРГ затухает по мере потери новизны воздействия или после завершения выработки и автоматизации нового навыка. Обыденная поведенческая активность животных, выполнение ими приобретенных автоматизированных навыков, действие знакомых им сигналов и событий или нахождение животных в привычной им среде, не требующей обучения, не сопровождаются экспрессией НРГ в нервной системе

В середине 1980-х гг. несколько исследовательских групп обнаружили экспрессию гена c-fos в мозге обучающихся взрослых животных. Это повлекло за собой широкий спектр исследований участия этого и других «непосредственных ранних генов» в самых разных задачах обучения. Некоторые из результатов этих исследований суммированы в таблице 20.2.

Прямое подтверждение критической роли экспрессии гена c-fos в формировании памяти дали эксперименты с избирательной блокадой его активности в мозге (Mileusnic, Anokhin, Rose, 1996; Lamprecht, Dudai, 1996; Grimm et al, 1997). Эти опыты показали, что подавление трансляции мРНК c-fos в структурах мозга нарушает долговременную, но не кратковременную память в различных моделях обучения и у разных видов животных.

Сходные данные были получены и для других членов семейства непосредственных ранних генов (Anokhin, 1997; Herdegen, Leath, 1998). Общее же число канди-датных генов «пластичности», индуцируемых в нервной системе, по некоторым оценкам, может составлять до 1000 и кДНК, библиотека из около 500 из них была приготовлена (Nedivi et al., 1993).

Транскрипционные факторы, кодируемые «ранними» генами, инициируют «вторую волну» синтеза белка, которая начинается через несколько часов после первоначального воздействия

20.4.3 Вслед за активацией «ранних» генов при научении происходит экспрессия «поздних» генов

Как уже упоминалось, многие «ранние» гены кодируют транскрипционные факторы, регулирующие активность наборов эффекторных «поздних» генов. Поэтому, если долговременные изменения в мозге при формировании памяти действительно инициируются продуктами «ранних» генов, то геномный ответ нервных клеток на обучение должен быть таким же, как и у других клеток на факторы роста -- т. е. двухфазным: вначале должна происходить экспрессия ранних генов, а затем активация регулируемых ими генов-мишеней. Еще в 1969 г. предположение о подобной двухстадийной активации генома при научении высказал Э. Глассман: «Можно предположить следующую последовательность химических событий, которые ведут к консолидации долговременной памяти: белок-1 --> РНК --» белок-2... Образование белка-1 основывается на сообщении о том, что у золотых рыбок пуромицин одновременно предотвращает изменения синтеза РНК и нарушает память. Если окажется, что правильны другие объяснения этого феномена, то данный белок можно будет с легкостью исключить из схемы. Пока же соблазнительно предположить, что этот белок является активатором специфических генов, которые кодируют РНК, образующуюся на следующем этапе» (Glassman, 1969, с. 635).

И действительно, при стимуляции нервной системы транскрипционные факторы, кодируемые «ранними» генами, инициируют «вторую волну» синтеза белка, которая начинается через несколько часов после первоначального воздействия (Анохин, 1997). Так, при исследовании динамики синтеза РНК и белка в гиппокампе крыс после обучения активному избеганию было обнаружено, что увеличение включения радиоактивных предшественников возрастает в течение первого часа после сеанса, потом падает и приблизительно 3 часа находится на контрольном уровне, а затем, на 6-10 часу, вновь существенно возрастает (РоЫе, Matthies, 1974; Ruthrich et al., 1974; Popov et al., 1976). В полном соответствии с этим обстоятельством, введение в мозг ингибитора синтеза белка анизомицина через 3-5 часов после обучения нарушает консолидацию долговременной памяти (Tiunova et al., 1998). При этом сами гены транскрипционных факторов, таких как c-fos и c-jun, во время второй фазы синтеза РНК не экспрессируются (Анохин, 1997).

Какие же эффекторные гены активируются в мозге под воздействием индуцируемых транскрипционных факторов?

20.4.4 В составе второй волны экспрессии генов при научении активируются морфорегуляторные молекулы

Среди «поздних генов» лучше всего исследованы мишени транскрипционных белков fos/jun, имеющие участки связывания с АР-1 элементами ДНК. АР-1 элемент присутствует в промоторных областях большого числа генов, многие из которых активируются в ответ на разнообразные экстраклеточные воздействия (Sheng, Greenberg, 1990). В число генов, содержащих АР-1 участок, входят, например, гены препроэнкефалина, S-100, нейрофиламентов, тирозингидроксилазы и N-CAM (Prentice et al., 1987; Lindenbaum et al, 1988; Masiakowski, Shooter, 1988; Sonnenberg et al., 1989; Sheng, Greenberg, 1990).

Гены молекул N-CAM (neural cell adhesion molecules), относящиеся к семейству генов молекул клеточной адгезии, представляют в этом отношении особый интерес. Молекулы клеточной адгезии, или «морфорегуляторные молекулы» (Edelman, 1988), экспрессируясь на поверхности клеточных мембран, регулируют агрегацию и дисагрегацию клеток в процессах развития (Edelman, Jones, 1995). Блокада экспрессии или связывания молекул клеточной адгезии ведет к нарушениям морфоге-нетических паттернов в развитии. Ген Л'-СЛМэкспрессируется как в эмбриональном, так и во взрослом мозге. Мыши с направленной мутацией гена N-CAM имеют измененнную морфологию мозга, нарушения поведения и обучения (Tomasievich et al., 1993; Cremer et al., 1995).

Особенно интересно, что функционально активные молекулы клеточной адгезии образуются во время второй волны синтеза белка после обучения (Scholey et al., 1993, Mileusnic et al., 1995). Антитела к молекулам клеточной адгезии способны вызвать у животных амнезию только при введении в течение строго фиксированного критического периода после обучения. Этот период охватывает интервал от 6 до 8 часов после обучения у крыс (Doyle et al., 1992) и от 4 до 6 часов у цыплят (Mileusnic et al., 1995; Scholey et al., 1995), и совпадает со временем, когда после обучения должны активироваться гены-мишени для продуктов ранних генов. В совокупности с тем, что гены N-CAM несут в своих промоторах АР-1 элементы, связывающиеся с транскрипционными факторами семейства fos/jun, это дает основания полагать, что они включаются при обучении в каскад молекулярных событий, индуцируемых «ранними» генами. В результате реактивации во взрослом мозге этих и других контролирующих развитие морфорегуляторных молекул нервные клетки могут прибретать при формировании нового опыта способность к перестройке своих синаптических контактов и специализации относительно вновь образующихся функциональных систем (Rose, 1995; Анохин, 1996, 1997).

20.5 НА МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКОМ УРОВНЕ НАУЧЕНИЕ СОСТАВЛЯЕТ С РАЗВИТИЕМ ЕДИНЫЙ КОНТИНУУМ

Таким образом, при научении в нервных клетках наблюдается следующая последовательность молекулярно-генетических процессов. Вначале рассогласование текущей ситуации с имеющимся опытом запускает активацию каскада «ранних» регуляторных генов в группах клеток, опосредующих эти процессы. Продукты «ранних» генов индуцируют, в свою очередь, экспрессию «поздних» генов, в том числе генов морфорегуляторных молекул, являющихся ключевыми участниками процессов морфогенеза при эмбриональном развитии. Эти и другие эффекторные гены стабилизируют участие нейронов в новой, сложившейся в результата обучения, функциональной системе. При этом основные молекулярно-генетиче-ские элементы и этапы молекулярного каскада дифференцировки клетки оказываются чрезвычайно сходными при научении и развитии (рис. 20.5). В определенном смысле мы можем сказать, что на молекулярном уровне научение выступает как непрекращающийся процесс развития (Анохин, 1996).

Однако механизмы регуляции экспрессии генов при научении имеют одно чрезвычайно важное отличие от сходных процессов в развитии.

20.6 НА СИСТЕМНОМ УРОВНЕ АКТИВНОСТЬ «РАННИХ»ГЕНОВ В МОЗГЕ ПРИ НАУЧЕНИИ ПЕРЕХОДИТ ПОД КОГНИТИВНЫЙ КОНТРОЛЬ

Выше уже упоминалось, что вопрос о том, вызовет или нет какая-либо поведенческая ситуация экспрессию «ранних» генов в клетках мозга, критическим образом зависит от содержания прошлого индивидуального опыта животного и определяется фактором субъективной новизны данного события (см. табл. 20.2). Это хорошо видно из следующего эксперимента.

Мышей помещали в камеру, где они получали серию неизбегаемых электрокожных раздражений. Это вызывало у них массивную активацию экспрессии гена c-fos в ряде структур головного мозга -- коре, гиппокампе и мозжечке. Однако, после того как животных регулярно подвергали этому воздействию на протяжении шести дней, в конце концов та же самая процедура, связанная с аверсивной стимуляцией, переставала вызывать активацию c-fos в клетках мозга. Хотя животные продолжали подвергаться электрокожному раздражению, это воздействие утеряло свою новизну и перешло в категорию ожидаемых событий в системах их индивидуального опыта. Таким образом, экспрессия c-fos в данных условиях вызывается вовсе не внешними стимулами, действующими на мозг, а их несоответствием материалу инидивидуальной памяти. Наиболее демонстративно это можно было увидеть на животных специальной группы, которым наносили раздражение на протяжении пяти дней, а на шестой день помещали их в ту же камеру, но электрокожную стимуляцию они в ней не получали. Это отсутствие стимуляции вызывало на первый взгляд парадоксальный эффект -- животные данной группы демонстрировали значительную активацию экспрессии гена c-fos в мозге, особенно в гиппокампе (Anokhin et al., 1991).

Описывая эту закономерность в терминах теории функциональных систем (см. гл. 14), можно сказать, что экспрессия «ранних» генов в клетках головного мозга бодрствующего взрослого животного наступает при условии рассогласования обстановочной, пусковой или мотивационной афферентации с акцептором результатов действий в какой-либо из врожденных или приобретенных функциональных систем организма. Другими словами, это означает, что активность «ранних» генов в поведении является производной от системных процессов сличения афферентации и содержания индивидуального опыта на нейронах головного мозга, процессов, которые определяются фактором новизны, то есть категорией субъективной оценки организмом среды и собственного поведения.

Следовательно, взаимоотношение процессов развития нервной системы и научения требует описания на двух различных уровнях. На уровне регуляции экспрессии генов научение действительно составляет с развитием мозга единый континуум. В обоих случаях дифференцировка нервных клеток зависит от активации в них определенных транскрипционных факторов. Некоторые из этих белков кодируются семейством «ранних» генов. Активация этих генов и в развивающемся и обучающемся мозге осуществляется посредством факторов роста, медиаторов и гормонов. Вслед за экспрессией транскрипционных факторов наступает вторая волна активации «поздних» или эффекторных генов. Белковые продукты этих генов выполняют разнообразные функции в нервных клетках. В частности, молекулы клеточной адгезии и другие синаптические белки изменяют связи нейрона, устанавливая функциональную специализацию клетки в системе межклеточных отношений. Сходство молекулярных механизмов клеточной специализации на границе между завершающими стадиями созревания нервных связей и началом их модификации в поведении настолько велико, что, пользуясь одними лишь критериями молекулярного анализа, часто невозможно определить, относится ли рассматриваемый клеточный процесс к развитию или к научению.

Однако демаркация между процессами развития и научения отчетливо выявляется при системном анализе проблемы. Если на уровне молекулярных механизмов регуляции транскрипции научение действительно выступает как продолжающийся процесс развития, то на системном уровне управление этим клеточным процессом претерпевает фундаментальную трансформацию. Оно переходит из-под контроля только локальных клеточных и молекулярных взаимодействий под контроль более высокого порядка -- общемозговых интегративных процессов, которые протекают в функциональных системах, составляющих индивидуальный опыт организма.

20.7 МОЗГ, ПСИХИКА И ЭВОЛЮЦИЯ ГЕНОМА: НА ПУТИ К ТЕОРИИ НЕЙРОЭВОЛЮЦИИ

Сказанного в настоящей главе достаточно, чтобы увидеть, что мы находимся только на самых начальных подступах к решению проблемы нейроэволюции -- проблемы, которая связывает системы мозга, опосредующие участие психики и сознания в процессах естественного отбора, с эмбриональным развитием нервной системы, генами и морфологической эволюцией.

Однако уже сегодня мы можем определить основные направления решения этой проблемы и те элементы, из которых должна складываться полноценная теория нейроэволюции.

Ясно, что в эволюции мозга, как и других органов тела, критическую роль играли регуляторные гены, определяющие процессы эмбрионального развития. По-видимому; к таким генам относятся прежде всего гены различных транскрипционных факторов и морфорегуляторных молекул.

Но, в отличие от других соматических органов, в созревшем мозге многие из этих генов вновь активируются -- в ситуациях новизны и научения. Вследствие этой реактивации нейроны фиксируют свое участие во вновь образующихся функциональных системах за счет долговременного изменения своих синаптических связей. В результате в нервной системе морфогенез по сути никогда не прекращается.

Таким образом, в отношении мозга две фазы эволюционного цикла -- созревание (первичный системогенез) и адаптивные модификации (вторичный системогенез) функциональных систем, обеспечивающих дифференциальное выживание, -- оказываются тесно связанными на уровне механизмов регуляции экспрессии генов (рис. 20.6).

Такое сходство естественно заставляет думать об интенсивных эволюционных взаимодействиях и переходах между двумя этими доменами.

Есть основания полагать, что именно на путях исследования этих взаимодействий может быть получен ответ на один из наиболее сложных и захватывающих вопросов современной науки -- как в ходе филогенеза мозг стал органом, определяющим эволюцию генома?

В решении этого вопроса критическую роль играет то, что на стадии вторичного системогенеза экспрессия генов в мозге оказывается под контролем системных когнитивных процессов, эффективность которых постоянно оценивается естественным отбором.

Глава 21. Клиническая психофизиология

21.1 ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ

Освещение проблем психофизиологии не может считаться достаточно полным, если оно не включает раздела, посвященного психической патологии. Еще И. П. Павлов считал, что психиатрия является как бы физиологическим экспериментом, поставленным самой природой.

С одной стороны, достижение конечной цели психиатрии, то есть понимание природы психических заболеваний, нахождение методов их диагностики и лечения, невозможно только через наблюдения, анализ и обобщение клинического материала. Необходимое понимание тех глубинных мозговых процессов, которые проявляются в психопатологии, тесно связано с развитием современных инструментальных методов исследования мозга, среди которых особая роль принадлежит картированию электроэнцефалограммы (ЭЭГ) и другим методам «нейроимид-жинга», или «визуализации живого мозга». Эти методы вкратце описаны в главе 2.

С другой стороны, изучая патофизиологию когнитивных и эмоциональных процессов и сопоставляя ее с нарушениями этих функций при шизофрении и депрессии, можно обнаружить некоторые нейрофизиологические механизмы, которые как бы «скрыты» от глаз исследователя в норме, но «обнажены» у больных.

21.2 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

21.2.1 История развития

Начиная с 1929 г., когда Ганс Бергер открыл ЭЭГ, и до 1960-х гг., когда была разработана и стала популярной методика исследования вызванных потенциалов (ВП) мозга, исследование ЭЭГ было важным методом в нейрофизиологии. С появлением компьютерной техники в 1980-х гг. стало возможным схематически проецировать электрические поля на поверхность головы, что положило начало развитию методов «нейроимиджинга», или визуализации структур и функциональных процессов мозга человека, что имеет особо важное значение для клинической психофизиологии.

21.2.2 Методы «визуализации живого мозга»

Сюда относятся методы, определяющие структурные изменения мозговой ткани, -- компьютерная томография (КТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ); методы, оценивающие функциональное состояние ЦНС, -- позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), анализ скорости мозгового кровотока (СМК), который можно также изучать с помощью однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (СПЕКТ), и функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), а также компьютеризованная электроэнцефалографическая топография (КЭТ). Отображение активностей сразу многих областей мозга, позволяющее визуализиро-вать и оценить различия в уровнях активирования этих областей, часто называют «картированием мозга» и также применяют для исследования таких процессов, как внимание, память, различные виды мышления.

21.2.3 Картирование мозга

В случае, когда для картирования используется отведение медленной электрической активности мозга, получаемое изображение отражает постоянно меняющееся пространственное распределение электрических полей по поверхности головы. Первым преимуществом подобного картирования мозга является то, что оно основано на количественном анализе ЭЭГ и компьютерной технике. Оно может с успехом применяться только в тех случаях, если исследователь является хорошим специалистом в области клинической электроэнцефалографии. Вторым преимуществом является представление результатов этого анализа в наглядной, легкой для понимания форме.

В настоящее время адекватным является синдромаль-ный подход к изучению психофизиологии шизофрении, в соответствии с которым больные могут быть разделены на группы по преобладанию позитивных или негативных симптомов [Andreasen, 1983, 1984]. К позитивным симптомам относятся бред и галлюцинации, которые иногда определяют как синдром «нереальности», а также тревожность и повышенная эмоциональная напряженность, которые можно выделить как «активный синдром» [Gruzelier, 1996]. К негативным симптомам относятся эмоциональное уплощение, социальная изоляция и обеднение, или «дефект», личности. Больные первой группы, характеризующиеся острой симптоматикой, имеют более сохранную психику и лучший прогноз, чем больные второй группы, которые, как правило, имеют длительное хроническое или особо неблагоприятное течение с быстро развивающимся дефектом личности; эти больные хуже поддаются терапии и имеют неблагоприятный прогноз.

21.3.2 Некоторые особенности мозговых структур и их функций при шизофрении

К позитивным симптомам шизофрении относятся бред и галлюцинации

К негативным симптомам относятся эмоциональное уплощение, социальная изоляция и обеднение, или «дефект», личности

В главе 11 описан механизм информационного синтеза, который нарушен при шизофрении

Названные выше методы визуализации живого мозга дают ценную информацию о состоянии некоторых структур мозга. Наибольшие изменения при шизофрении наблюдаются со стороны лобных и височных областей коры, зрительного бугра, миндалины, гиппокампа; имеют также место увеличение объема желудочков мозга и уменьшение мозолистого тела [Downhill, Buchsbaum, 2000].

Изменения объема зрительного бугра указывают на нарушения сенсорно-перцептивных процессов, которые и выявляются при исследовании ВП мозга. У больных шизофренией было обнаружено снижение амплитуды поздних компонентов соматосенсорного ВП, особенно волны Р 300 [Стрелец, 1968, 1989; Ива-ницкий, Стрелец, 1973; Шагас, 1975]. За последнее десятилетие выявлены также изменения и более ранних компонентов ВП, которые рассматриваются как нарушение при шизофрении «фильтрации» сенсорного входа [Gruzelier, 1996,1999]. В главе 11 описан механизм информационного синтеза, который нарушен при шизофрении.

Ряд работ выявил нарушение уровня активации различных областей коры головного мозга при шизофрении: понижение активации левого полушария по сравнению с правым [Flor-Henry, 1983] и разный уровень активации лобных областей правого и левого полушарий. При помощи нейропсихологических тестов было обнаружено [Gruzelier, 1994], что больные с позитивными симптомами лучше, чем здоровые выполняли тесты на вербальную, а больные с негативными -- на невербальную (пространственную) кратковременную память. Отсюда был сделан вывод, что у первых более высокий уровень активации височно-гиппокампальных областей левого полушария, а у вторых -- правого. В дальнейшем асимметрия межпо-лушарной активации при шизофрении получила подтверждение методами визуализации живого мозга.

У больных шизофренией имеет место выраженная асимметрия мощности альфа-ритма, причем направленность асимметрии у двух исследованных групп -- противоположна.

21.3.3 Картирование спектральной мощности ритмов ЭЭГ при шизофрении

Анализ спектральной мощности ритмов ЭЭГ производится на основе регистрации. ЭЭГ. Для выявления патологической картины распределения биоэлектрической; активности мозга при шизофрении необходимо исследовать как группы больных, так и здоровую контрольную группу испытуемых. Желательно, чтобы все больные были без медикаментозного лечения или не получали его не менее чем семь дней до исследования.

В исследовании, проведенном нами, регистрация ЭЭГ осуществлялась от 16, отведений по системе 10-20 с референтными электродами на мочках прилегающих ушей. Фрагменты ЭЭГ подвергаются быстрому преобразованию Фурье с последующим усреднением. Карты строятся методом интерполяции на основании пространственного распределения мощности ритмов ЭЭГ для каждого отведения во всех частотных диапазонах.

Спектральная мощность ритмов ЭЭГ исследуется в покое (при закрытых глазах) и в когнитивной пробе, направленной на исследование взаимодействия полушарий. Эта проба включала одновременно и умственный счет, и пространственное воображение -- от испытуемых требовалось устно подсчитать время по воображаемому циферблату, например от пяти часов вечера сегодняшнего дня до восьми часов утра вчерашнего.

Обнаружено, что мощность альфа-ритма в затылочных областях в норме симметрична, в то время как у больных шизофренией имеет место выраженная асимметрия, причем направленность асимметрии у двух исследованных групп -- противоположна. У больных с позитивной симптоматикой мощность альфа-ритма выше в левой затылочной области (О1), а с негативной -- в правой (О2) (рис. 21.1). Коэффициент асимметрии для альфа-ритма в затылочных областях при шизофрении с позитивными и негативными симптомами равен 9,0 и -14,5, соответственно. Эти различия достоверно, хотя и разнонаправленно отличаются от нормы (где коэффициент 1,9 -- не значим). При открывании глаз асимметрия у больных шизофренией становилась достоверной и в париетальных областях, и сохранялась такой же при выполнении пробы. Таким образом, у подгруппы больных с позитивной симптоматикой мощность альфа-ритма в левом заднем квадранте выше, чем в правом (рис. 21.1, Б), что может указывать на повышенную активацию правого заднего квадранта. У больных с негативной симптоматикой, напротив, мощность альфа-ритма выше в правом заднем квадранте (рис. 21.1, В), что указывает на повышенную активацию теменно-затылочных областей левого полушария. Как показали исследования Дж. Грузелье [Gruzelier, 1994,1996], у больных шизофренией с позитивными и негативными симптомами асимметрия обнаруживается в передних корковых квадрантах. Обнаруженная асимметрия активации определенных зон коры и несоответствие ее уровня в передних и задних мозговых областях, по-видимому, обусловливает также нарушение их частотного соответствия. Эти исследования легли в основу нового направления в картировании мозга при шизофрении -- картирования внут-рикоркового взаимодействия на различных «резонансных» частотах.

21.3.4 Картирование внутрикоркового взаимодействия при шизофрении

Шизофрения -- заболевание, которое связано, в основном, не с поражением определенных структур мозга, а с нарушением взаимоотношений между этими структурами, с их функциональной дезинтеграцией. Электрофизиологически нарушения взаимоотношений между мозговыми структурами изучаются с помощью методов синхронизации биопотенциалов [Ливанов, 1972], корреляционного анализа [Монахов, Стрелец, 1970], когерентности [Болдырева, 1992; Weiss, Rapplesberger, 2000] и картирования внутрикорковых связей [Иваницкий, 1990].

Когерентность -- степень синхронизации, основанная на оценке интеграции между различными отделами мозга на частоте, усредненной для всего частотного диапазона у каждого испытуемого. М. Н. Ливанов [1972] считал, что синхронизация создает условия для возникновения функциональной связи и, возможно, является выражением этой связи.

А. М. Иваницкий [1990] разработал метод картирования внутрикорковых связей (IntracorticalInteraction Mapping, ЯМ), который основан на идее М. Н. Ливанова о том, что точное совпадение (синхронизация) по частоте компонентов спектров ЭЭГ различных корковых областей указывает на наличие связей между ними. Процедура, используемая для данного метода, состоит в следующем. После быстрого преобразования Фурье спектры мощности подвергают трехкратному сглаживанию, затем компьютер определяет три наиболее высоких по амплитуде пика в каждом из диапазонов ЭЭГ. Пики определяют как спектральные точки, амплитуда которых больше, чем амплитуда двух соседних точек. Благодаря процедуре сглаживания обычно в каждой такой полосе остаются по два-четыре спектра. Путем сопоставления выявляются пики, которые точно совпадают по частоте в данном и каждом из остальных отведений. После этого для каждой области и для каждого диапазона ЭЭГ подсчитывается число совпадающих пиков. Это число затем нормализуется путем деления числа совпадающих пиков на число электродов минус единица, чтобы избежать влияния числа используемых электродов на характеристики взаимодействия. На основе этих данных методом интерполяции строится карта мозга, на которой корковые зоны, отличающиеся по числу связей с другими областями, соединяются «стрелками».

Нами разработана модификация этого метода [Стрелец и др., 2000], которая заключается в том, что после нахождения пиков, совпадающих по частоте в отведениях от различных областей, связи между этими пиками не усредняются, а по вероятности их появления выделяются наиболее типичные из них; достоверность этих связей определяется по методу Монте-Карло.

21.3.5 Взаимосвязи между корковыми областями на высокочастотном бета-ритме

Наибольший интерес представляет собой проблема взаимосвязей на высокочастотном бета-ритме, поскольку на этой частоте, согласно последним данным, осуществляется взаимодействие (binding) между различными отделами мозга во время сенсорно-перцептивных процессов, при когнитивной деятельности и мышлении [Basar, 1992; Whittington et al, 1997; Traub et al., 1996] (гл. 8 ).

При шизофрении архитектура внутрикорковых связей на высокочастотном бета-ритме значительно отличаются от нормы. На рис. 21.2 приведены результаты нашего исследования когерентности у групп здоровых (верхний ряд), больных шизофренией с позитивными симптомами (средний ряд) и больных шизофренией с негативными симптомами (нижний ряд). Как видно из рисунка, у здоровых в состоянии покоя имеется только две межполушарных связи -- между центральными и затылочными областями. При выполнении когнитивного задания количество межполушарных связей у здоровых увеличиливается до восьми, причем наряду с прямыми связями -- между всеми гомологичными отведениями -- наблюдаются также «косые» связи -- между лобными отведениями каждого из полушарий с центральными отведениями противоположных полушарий, а также между левым центральным и правым теменным и между правым теменным и левым затылочным отведениями.

У больных шизофренией обеих групп с помощью этого метода удалось выявить полное отсутствие межполушарных связей на высокочастотном бета-ритме как в состоянии покоя, так и при выполнении когнитивной пробы.

Таким образом, феномен «связывания» различных, пространственно удаленных мозговых областей коры в процессе когнитивной деятельности при шизофрении нарушен. Подобные нарушения интеграции у больных шизофренией описаны в современной литературе [Bennet, 1997; Gruzelier, 1999 ], однако в этих и приведенных выше работах давались пробы на одно из полушарий, тогда как в нашем исследовании предъявлялась проба, специально направленная на исследование интеграции между двумя полушариями. Можно предполагать, что дезинтеграция, «разрыв» большого числа нейронных связей, в большей степени межполушарных, по-видимому, обусловливает неспособность больных шизофренией к адекватной активации корковых областей в условиях когнитивной деятельности.

Методом исследования внутрикорковых связей [Иваницкий, 1990] (с вычислением средней по группе частоты) были получены данные, сходные с теми, которые получены методом когерентности, однако у обеих групп больных было выявлено по одной межполушарной связи при выполнении когнитивной деятельности -- между затылочными областями (рис. 21.3). Интересно, что в состоянии покоя у больных первой группы имелись четыре межполушарных связи, которые парадоксальным образом исчезли при выполнении задания. Полученные этим методом данные в основном подтверждают вывод о нарушении межполушарных связей при шизофрении и, кроме того, позволяют отметить еще два момента. Во-первых, наличие одной межполушарной связи у каждой группы больных свидетельствует о большей чувствительности метода исследования усредненных внутрикорковых связей по сравнению с когерентностью. Во-вторых, наличие межполушарных связей только на уровне затылочных областей может указывать на проведение информации не через мозолистое тело, а, возможно, через задние спайки свода (comissura fomicis) или подкорковые структуры. Затруднение проведения информации через мозолистое тело согласуется с данными об уменьшении у больных размера мозолистого тела [Guenter, 1991; Downhill, Buchsbaum, 2000].

Самые интересные данные о характере взаимосвязей на высокочастотном бета-ритме могут быть получены с помощью метода определения наиболее типичных для каждой группы связей; в норме наиболее типичными оказались связи на частоте приблизительно 40 Гц.

Самые интересные данные о характере взаимосвязей на высокочастотном бета-ритме были получены с помощью третьего метода, определения наиболее типичных для каждой группы связей, который позволяет определить не только наличие или отсутствие связей, но и частоту, с которой они появляются, поскольку, как уже отмечалось, частота в этом методе не усредняется по группе. Этим методом было показано (рис. 21.4), что в норме наиболее типичными оказались связи на частоте приблизительно 40 Гц, которые характерны для феномена взаимодействия. В со-