Про смену парадигм в нейрофизиологии

Print PDF

 

Известный нейрофизиолог Д.А.Сахаров написал статью про смену парадигм в этой дисциплине. Я её перескажу, сделав упор на связь с современными представлениями об инстинкте, тем более что и автор нащупывает эту связь.

Он отмечает, что биологически ориентированных исследователей давно тревожит традиция находить фундаментальные механизмы нервной деятельности не в самом мозге, а в преходящих продуктах техники.

Сперва мозг уподобили гидравлической машине, потом – электрической цепи, телефонной станции, голограмме, теперь – компьютеру и (искусственным) нейронным сетям. Добро бы это были лишь стимулирующие метафоры, так в аналогиях всерьёз ищут указаний на устройство мозга. Причём

1) хотя технические аналогии постоянно меняются вместе с соответствующими новинками, биологический субстрат, в котором «принимаются решения» и «формулируются поведенческие команды», практически не меняется у всех организмов, обладающих нервной системой (в отличие от наших представлений о нём).

2) в господствующих «технических» представлениях о мозге и нервной системе уже накопилось достаточно аномалий, чтобы отбросить старую концептуальную схему и принять новую. Современные исследования демонстрируют способность центральных генераторов упорядоченного поведенческого паттерна на выходе (Central pattern generators, CPG), которую трудно объяснить в терминах анатомической (=синаптической) организации нейронов. Гетерохимическая гипотеза CPG не столь ригидна.

Новая концептуальная схема основана на следующих идеях и данных:

1) механизмы нервной регуляции унаследованы от донервных регуляторных систем и имеют химическую природу;

2) роль эндогенных центральных генераторов (CPG) в структурировании поведения на выходе системы (создании упорядоченного определённым образом паттерна выходной активности) фундаментальнее отклика на внешние стимулы и вообще схемы «стимул-реакция».

Первые создают структуру реагирования, реализующуюся даже полном отсутствии внешних стимулов или при их случайной подаче, когда животному «не за что зацепиться вовне» для выдачи упорядоченного и адекватного ответа. Вторые лишь модулируют и модифицируют эту исходно данную структуру.

3) Раньше считали, что упорядоченность поведенческого паттерна создаётся специфичностью синаптических связей между нейронами соответствующего ансамбля. Автор полагает существенность специфики сигнальных молекул, принадлежащих к нейронам разных химических фенотипов.

4) Характер самоорганизации нейронов в паттерн-генерирующий центральный ансамбль определяется динамическими флюктуациями содержания нейроактивных молекул в локальной межклеточной среде, через изменения физиологических свойств и рецепторных профилей индивидуальных нейронов. [Или градиентами их концентраций на более протяжённых участках нервной ткани.].

Как видно далее, эта концепция соответствует врождённым разрешающим механизмам (ВРМ) Лоренца, только описанным теоретическими конструкциями другой науки и на основе экспериментов с другими объектами.

По счастью, для смены парадигм есть отечественная «еретическая» традиция, восходящая к Х.С.Коштоянцу. Она исходит из того, что мозг – устройство, выполненное биологическими средствами. Коштоянц скептически относился к тому, что его современники описывают мозг в терминах электричества, одиноко противопоставляя этому свою «энзимохимическую гипотезу». Она априорно наделяла сигнальные молекулы нервной системы биохимической индивидуальностью и предлагала вывод своеобразия каждого нейромедиатора из его донервной регуляторной функции. [Что важно, у мудрого Х.С. Коштоянца на кафедре работали сторонники всех основных представлений на работу нервной системы, он хотел, чтобы их соперничество происходило на глазах студентов.]

Далее школа Коштоянца предоставила разнообразные данные в поддержку этого взгляда. Т.М.Турпаев первым показал белковую природу клеточных рецепторов. Экспериментально подтвердили предположение о нейротрансмиттерной роли серотонина. Показали, что пурины помимо внутриклеточных функций выступают межклеточными регуляторами, исследовали метаболическую функцию «передатчиков электричества». Г.А.Бузников доказал участие нейротрансмиттерных веществ в процессах раннего эмбриогенеза.

Сейчас исследуют химические клеточные фенотипы у ланцетников и асцидий. У них в эпителиальном ресничном органе – эндостиле [также обладающем эндокринной функцией. В.К.], похожем на желоба, из которых произошла нервная трубка позвоночных, нашли «ещё не» нервные, но уже трансмиттер-специфические секреторные клетки. К идеям Коштоянца восходят нынешние молекулярно-генетические исследования (Moroz, 2009), которыми подтверждаются давние предположения автора о гомологии изохимичных нейронов между собой и независимом происхождении разных нейрональных фенотипов.

Автор фиксирует смену парадигм в нейрофизиологии¹: исследователи всё меньше занимаются электричеством и объясняют соответствующие процессы через «электричество в нейронных сетях», переключившись на вещества, гены, реакции; аналоговые подходы в объяснениях уступают место биологическим. Первая парадигма в нейрофизиологии была струйной, вторая – электрической, сейчас идёт третья. Её приход задерживается тем, что концептуализация новых знаний отстаёт от их накопления [точь-в-точь, как в сравнительной этологии, с которой Д.А.Сахаров проводит интереснейшие параллели.].

Все парадигмы основаны на том, что носитель распоряжений материален. До того, как его стали связывать с электричеством, струйная парадигма связывала активность мозга со струением невидимой подвижной субстанции (esprits animaux, animal spirits). Осмысляя механизм, управляющий телом, здесь ставили на первое место полости мозга и вздутие работающих мышц (додумывая трубчатые нервы и пр.).

Приход электрической парадигмы много чего объяснил, но был связан со следующим противоречием. Для проведения электричества субстрат должен быть единым, без разрывов. Но в науке уже утвердилась клеточная теория, предполагающая, что субстрат состоит из дискретных единиц – клеток. Противоречие снял Рамон-и-Кахаль – общее эмбриональное происхождение нейронов делает их настолько сходными, что целостность проводящего субстрата обеспечивается межклеточными стыками, синапсами, как стыки на рельсах обеспечивают целостность ж/д пути. Однако общность происхождения Кахаль декларировал под давлением электрической парадигмы – на деле нейроны развиваются из нескольких эмбриональных закладок, а данные физиологических исследований толковали как подтверждение стыков.

Другая проблема состоит в том, что играет главную роль в этом проводящем субстрате – отражённый стимул или эндогенный продукт? Ограничив роль нервной ткани просто проведением импульса, электрическая парадигма должна объяснить, откуда берётся то, что проводится? Тут вроде бы донаучной струйной парадигмы было замечательное прозрение, важность которого ясна только сейчас. Первостепенна активность мозга, вырабатывающего продукт – носитель команд, выполняемых эффекторами, его активность создаёт режим управления (телом), который внешними стимулами лишь корректируется. Роль внешней стимуляции состоит в высвобождении «управляющего продукта» из мозговых депо, а режим накопления команд эндогенен.

Однако оно ушло, создав концепцию рефлекторной дуги, основанную на представлениях о наднейронном, надклеточном электрическом феномене. Импульс, рождённый внешним стимулом, распространяется к мышце, перескакивая с одной нервной клетки на другую. Что точно соответствует впечатлению, полученному здравым смыслом от проверки коленного рефлекса – врач бьёт молоточком, нога «в ответ» дёргается. Но для здравого смысла очевидна и линия горизонта, между тем она не существует [и вообще, наука развивается не в сторону подтверждения очевидностей здравого смысла, а в прямо противоположную – наполнения нашей повседневности концепциями, строго доказанными в эксперименте, но не существующими для чувств, впечатлений и пр. В.К.].

Точно также не существует в природе нервный импульс, перескакивающий в стыках с клетки на клетку, есть нечто иное – потенциал действия. Нервная клетка использует его, чтобы снять трудности, связанные с длинным отростком. Локальный рецепторный потенциал не может непосредственно повлиять на потенциал сильно удалённых секреторных ветвей аксона, и управление достигается при посредничестве потенциалов действия – спайкового разряда. Это важная функция, но она не имеет отношения к процессу межклеточной сигнализации. В нейронах с короткими отростками, где рецепторный потенциал может непосредственно управлять потенциалом секреторной мембраны, потенциала действия нет, потому что он не нужен. Таковы в частности, биполярные и горизонтальные нейроны сетчатки позвоночных.

В электрической парадигме роль «нервных импульсов» сильно преувеличили, подчинив им всю картину межклеточной сигнализации, почему сильно исказили её. Даже в современном варианте главное в ней – концепция отражённого сигнала и электротехническая подоплёка в объяснениях – сохраняется полностью, почему такие идеи крайне привлекательны для небиологов. Так, известный британский астроном сэр Фред Холл высказал изумление, «как в нейроэволюции химия уступает место электронике», тогда как сравнительная физиология рисует обратную картину.

Электрическое управление моторным поведением известно лишь в примитивной ситуации. У некоторых низших беспозвоночных (субумбрелла сифонофор), а также у раннего головастика лягушки потенциалы действия пробегают к мышцам по эпителиальному электросинцитию («нейроидное проведение»). Эволюция управления мышечным ответом состояла в элиминации электросинцитиев и развитием механизмов химической сигнализации, всё более и более изощренных. Самое ошеломляющее в мозге высших организмов – это доминирование тормозных межклеточных взаимодействий (неизбежно химических) над «передачей возбуждения». Электросинцитии в виде «электрических синапсов» оставлены только как исключение, и выполняют простейшие объединительные функции – скажем, синхронный выброс в кровь общего нейрогормона нейросекреторными клетками.

Концепция пассивного проводящего субстрата – рефлекторной дуги – вызывала сомнение у ряда специалистов по мозгу ещё в начале ХХ века, поскольку для живого вообще характерна спонтанная активность, воздействующая на окружение, создание ситуаций, удобных для развития соответствующего поведения, а не пассивная реакция на появление такой ситуации извне. Поскольку если ждать её создания кем-то другим — не дождёшься. Но ранние аргументы в пользу активного мозгового фактора предъявлялись лишь на словесном уровне (доминанта и «очаг возбуждения» Ухтомского, «целеустремлённость» Бернштейна, «центральные детерминанты» необихевиористов). Оставаясь метафорами, они не подсказывали экспериментов, подходящих для опровержения концепции рефлекторной дуги.

Её экспериментальное опровержение произошло только в 70-х работами нейроэтологов. Нейроэтология заимствовала у физиологии персонал и инструментарий, а в подходах совместила две исследовательские стратегии, лежащие в стороне от нейрофизиологического майнстрима.

Первую из них подсказала классическая этология («программа Лоренца-Тинбергена»). Она возродила [в концепции ВРМ] забытую идею высвобождения, признав эндогенную природу поведенческих актов, лишь корректируемую значимыми стимулами. – релизерами². Мозг производит гипотетический носитель команд в собственном эндогенном ритме, носитель высвобождается или под действием значащих стимулов извне (отсюда «релизеры»), или при перепроизводстве и долгом отсутствии стимулов он разряжается сам («реакция вхолостую»).

[Аргументировалось это нейрофизиологическими работами фон Хольста и другими: “Вопреки этимологии слова инстинкт — это не побуждение, «специфическая энергия действия» которого обеспечивает реализацию данной активности, не реакция особи на определённые раздражители, а специфические формы и структуры поведения, высвобождающиеся под действием ключевых стимулов и, в свою очередь, становящиеся следующим элементом в цепи таких же структур. Направленное наращивание цепи последовательными демонстрациями особей приводит взаимодействие к специфическому результату.

Эти «структуры» с генетически детерминированной формой О.Хейнрот, Ч.Уитмен и К.Лоренц считали базовыми элементами видоспецифического поведения, называя их «инстинктивными действиями» (die Instinkthandlungen) или «врождёнными координациями» (der Erbkoordination). От обычных рефлекторных актов инстинкты отличаются тем, что воспроизводятся не только в ответ на стимуляцию, но и непрерывно. Точней, животное постоянно готово к совершению инстинктивного действия, но последнее в норме подавлено. Действие релизеров снимает центральный контроль и высвобождают определённую форму инстинктивного акта.

Эрих фон Хольст получил прямые доказательства того, что der Erbkoordination представляет собой систему с автономным управлением, не сводимую к цепям безусловных рефлексов. Он обнаружил, что стереотипные движения животного вызываются процессами стимуляции и координации, совершающимися в самой нервной системе. Движения не только выполняются скоординировано в строгой последовательности без участия рефлексов, но и начинаются вовсе без внешнего стимула.

Так, зафиксированы нормальные плавательные движения рыб с перерезанными задними корешками спинномозговых нервов. Видоспецифическая форма движений определяется автономным механизмом изнутри, «срабатывающим» в ответ на ключевой раздражитель извне. При длительном отсутствии специфических раздражителей тот же механизм «срабатывает вхолостую», в ответ на эндогенный рост нереализованного возбуждения «внутри» индивида (Lorenz, 1989).

Чтобы минимизировать возможные «ошибки запуска» (ведь инстинктивное действие невозможно остановить или изменить, пока оно не реализуется полностью), запускающая система должна так или иначе «сличать» внешний стимул с некой нервной моделью «типичных раздражителей» и/или «типовых ситуаций», запускающих инстинктивный ответ. Поэтому врождённые системы реагирования содержат элемент распознавания образов (Lorenz, 1989).

Отсюда потенциальная «сигнальность» инстинктов. Реализация инстинкта в одиночку также невозможна, как хлопок одной ладонью. Нет инстинкта, который не требовал бы реализации в определённой социальной среде и коммуникации с определёнными партнёрами (Тинберген, 1993; Лоренц, 1994). Иногда это другие особи, иногда — ключевые стимулы от структуры местообитания, от определённой реакции жертвы на действия хищника и т.п. объекты внешнего мира животного, поведение которого реализует соответствующий видовой инстинкт (соответственно и внешний мир-умвельт не индивидуальный, а видоспецифический). При взаимодействии со средой (экологической или социальной) эти значимые объекты выступают, прежде всего, как партнёры по взаимодействию и только потом как ресурсы среды (Lorenz, 1935, 1937а).

Даже побуждение спасти собственную жизнь («инстинкт самосохранения», по неточному выражению публики) становится «настоящим» инстинктом только тогда, когда животное

- во-первых, усвоит те «типичные» программы поведения, которые вообще применяются [могут быть применены] в ответ на определённый набор опасностей внешнего мира и реализует их в конкретном сообществе с присущим ему набором опасностей, «относительный вес» которых может сильно разниться от общевидового;

- во-вторых, когда перед всяким запуском инстинктивного действия разные виды опасностей должны быть категоризированы и различены, так что на конкретный тип описанных объектов животное выдаёт не генерализованный (или не только генерализованный) ответ, но также и специфический;

- в-третьих (и это главное) когда в ответ на появление опасности животное реализует соответствующие программы действий настолько «автоматически» и «непроизвольно», что соответствующий «бросок в укрытие» гарантировано достигает цели, если только запущен точно и вовремя (как бы ни складывались обстоятельства, в которых «стартует» конкретный инстинктивный акт).

Далее, разные акты самоохранительного поведения должны устойчиво соответствовать разным опасностям. Инстинкт как специализированная структура действий начинается тогда, когда разным категориям потенциально опасных объектов начинают соответствовать разные типы «бросков в укрытие» и одновременно разные «системы моббинга», каждая (-ый) из которых эффективен (-на) в собственных специфических условиях появления.

Удачна метафора А.Н.Барулина (2002): инстинкт есть рефлекс, дуга которого замыкается между особями в сообществе в рамках социальной коммуникации (а не «внутри» самой особи в ходе реакции на стимулы), но с той же «автоматичностью», специализированностью и специфичностью ответа. «Замыкание» инстинктивных реакций происходит через специализированный ответ Другого на специфические сигналы данного индивида, притом что все вместе они являются социальными компаньонами. Поэтому для моделирования процессов информационного обмена в сообществах животных успешно используются известные модели распознавания образов, отделяющие сигнал от шума с использованием искусственных нейронных сетей (Ghirlanda, Enquist, 1998).

С точки зрения знаковой концепции коммуникации инстинкты – это видоспецифические структуры поведения, сопрягающие усилия независимых и «эгоистических» индивидов для кооперативного «производства» нужных «идеальных образцов» формы сигналов и форм социальной организации в нужных ситуациях взаимодействия (раздел 1.5, 2.3). В.К.].

Этологи характеризуют каждый биологический вид [точнее, не каждый, а только такой, у которого взаимодействия включают в себя коммуникацию. Т.е. действия особей в отношении друг друга, происходят не всегда напрямую, но опосредованы специальными элементами – демонстрациями, выступающими как знаковые стимулы и/или сигналы. См. PS.

Очевидно, их роль (и роль опосредования ими действий) в коммуникации животных в сообществе точно такая же, как описываемых автором нейромедиаторов в межклеточной коммуникации в нервной ткани. С той только разницей, что одни и те же объекты – тела особей, их двигательная активность и пр. здесь выступает источником распоряжений и исполнительным органом одновременно. В.К.] определённым ассортиментом единиц поведения – дискретных актов [с типологически определённой формой, дифференцированных друг от друга и от «фона» несигнального поведения — демонстраций], набор которых составляет этограмму (ethogram, поведенческий репертуар, сигнальный репертуар и пр.). Индивидуальный элемент этограммы – это данность [а не результат описания, подчинимый требованиям удобства, экономии и прочей прагматике, как считает Е.Н.Панов], с которой уже может работать нейороэтолог, осталось только найти удобный для исследования фиксированный комплекс действий (fixed action pattern).

Другим источником экспериментальной этологии стали работы по экспериментальной зоологии низших позвоночных. Используя деафферентацию спинальных моторных центров, эти авторы показывали, что координированная моторика, в частности локомоция, возможна и без получения центром обратных сенсорных связей от эффектора. Однако показать это доказательно, работая на интактных животных или полуинтактных препаратах было непросто, а для перехода на изолированные препараты моторных центров ещё не созрел инструментарий.

Х.С.Коштоянц в руководстве по нейрофизиологии 1957 г. дал развёрнутый анализ работ по спонтанным физиологическим ритмам. В обзоре видны его сомнения – как признать эндогенность поведения, сохранив верность принципу детерминизма? И Коштоянц предполагает, что источником циклической моторики могут быть метаболические циклы, опосредовано зависящие от внешних условий.

Дальше к анализу механизмов поведения привлекли внутриклеточные микроэлектроды и новые, адекватные этой технике объекты. В том числе группа Д.А.Сахарова вовремя описала гигантские нейроны в морского донного слизня – тритонии (Tritonia diomedea). Ею воспользовался Денис Виллоуз, аспирант идеолога нейроэтологии Грэма Хойла, и первый раз осуществил анализ поведения на уровне индивидуальных нейронов. Следуя этим путём и упрощая свои препараты, несколько групп независимо показали, что моторные команды с хорошо координированным участием разных мышц могут продуцироваться полностью изолированными фрагментами ЦНС. Чтобы достичь этого результата, пришлось преодолеть некую техническую трудность, и в процессе преодоления выявился факт фундаментального значения.

Высвобождение эндогенного продукта. Трудность связана с травмами, которыми сопровождается изоляция препарата. Из-за травм препараты не генерировали поведение – то есть были лишены того феномена, который хотелось бы подвергнуть анализу. Счастливым исключением стал описанный автором препарат морского ангела Clione limacina, из крылоногих моллюсков. Любой из пары педальных ганглиев этого хищного пелагического моллюска, отрезанный от всего, кроме своего эффектора – ипсилатерального «крыла», исправно продолжает вызывать локомоторный ритм. Это позволило мировой команде нейрофизиологов провести лучший в нейроэтологической литературе клеточный анализ этого центрального генератора (ЦГ).

И тут вдруг выяснилось, что изолированные моторные препараты начинают работать при добавлении в омывающий раствор нейроактивного агента. Какого? Локомоторный ЦГ виноградной улитки переходил на режим неустранимой активности в присутствии одного из антагонистов рецепторов дофамина. У неё же для активации моторного ритма радулы требовался сам дофамин; ещё надёжней действовал его метаболический предшественник. Казалось, в эффектах веществ нет никакой логики, НТО вдруг она обнаружилась. Клеточный анализ, растянувшийся на десятилетия, подтвердил исходное предположение: химический агент, переводящий ЦГ на выдачу стабильного эндогенного ритма, достигает этого снятием с ЦГ тормозного блока.

Тут сразу приходит на ум аналогия с экспрессией репрессированных генов; генов в геноме много, но в каждый отдельный момент работают лишь некоторые прочие покоятся до поры. Как пишет автор, «этограмма – подобие генома. В ней всегда активизированы лишь некоторые из матриц, на которых экспрессируются поведенческие команды. Высвободить моторный шаблон (паттерн) – это значит разблокировать его матрицу, снять торможение. Впечатляющей иллюстрацией к сказанному служит иерархия тормозных блоков, последовательно снимаемых при селекции сенсорикой базовых моторных программ в мозгу позвоночных». Очень может быть, что в знаменитых опытах Пенфилда (Wildes Graves Penfield) 1930-х гг., наблюдавшего высвобождение упорядоченных воспоминаний при точечных раздражениях коры, мог действовать тот же феномен дерепрессии, что в случае действия антагониста дофамина на ЦГ виноградной улитки.

[Замечательно, что та же самая аналогия между этограммой и геномом (и в рамках того же самого механизма экспрессии и репрессии «нужных» поведенческих программ — предъявления одной из N демонстраций репертуара на «должном» уровне стереотипности) использовалась мной для понимания процессов кооперативной реализации инстинкта в рамках социальной коммуникации позвоночных. Независимо от идей Д.А.Сахарова и до того, как я читал эту статью. В.К.].

Так или иначе, микроэлектродные эксперименты с изолированными фрагментами ЦНС, обработанные деблокирующими агентами, надежно показывают, что генерация поведенческих команд возможна без участия сенсорной и моторной периферии. Реальное поведение здесь отсутствует, моторика становится виртуальной, но сами команды реальны, их можно фиксировать, распознавать и пр. Подобное поведение назвали фиктивным, а структуры, генерирующие такие команды получили современное название CPG. Возникает вопрос – посредством каких механизмов клеточное сообщество (нейронный ансамбль) формирует упорядоченную особым образом выходную структуру? Первым нашёлся такой ответ: ЦГ (CPG) это упорядоченная сеть нейронов, каждый из которых характеризуется определёнными электрическими параметрами. Диаграммы таких генераторов, устроенных наподобие электрической монтажной схемы (концепция «wiring”).

Гетерохимическая гипотеза. Вместе с тем казалось возможным привлечь к пониманию устройства ЦГ знания о множественности нейрональных химических фенотипов. Уже в конце 1960-х гг. носилась в воздухе идея адресации межнейронных сигналов специфичностью сигнальных молекул и чувствительных к ним рецепторов. Она даже обсуждалась авторами первой работы по клеточному анализу поведенческих актов у тритонии, но была отвергнута: решили, что для её реализации потребовалось бы неправдоподобно большое число разных трансмиттеров, несколько сот, а может и тысяч.

Рассуждая так, Виллоуз и Хойл рассматривали субстрат управления поведением как континуум. Но если исходить из того, что он дискретен, то это возражение снимается. Тогда формирование базовых поведенческих паттерном не потребует многих трансмиттеров и соответственно клеточных химических фенотипов; так гены обходятся всего 4мя нуклеотидами, а белки ~ 20 аминокислотами.

Рассуждая так, автор предложил химическую гипотезу устройства ЦГ. Она предполагает гетерогенность клеточного состава паттерн-генерирующих нейронных ансамблей. Это предположение доступно проверке. В отличие от концептуальных нейронных сетей, имеющих синаптическую организацию, концептуальному гетерохимическому ансамблю не нужно удерживать сигнальные молекулы в «синаптической щели». Они не помешают функционированию соседнего контакта, поскольку там работает другая химия. Наличие или отсутствие диффузионных барьеров также проверяемо.

Гипотеза была выведена из опытов по действию серотонина на виноградную улитку. Безадресно приложенное трансмиттерное вещество оказывало синэргичное действие на множественные мишени и интегрировало их ответы в целостный ответ системы. То же было обнаружено Чарльзом Лентом при действии серотонина на медицинскую пиявку. Близкой явилась работа Хойла, где эффекторы саранчи давали согласованный ответ на безадресную инъекцию скополамина в центральный нейропиль. Хойл предложил называть интегрирующие эффекты нейроактивных веществ «оркестровкой».

Вот формулировка гипотезы, альтернативной «электротехнической» парадигме на момент середины 1980-х гг.: «Концепцию анатомических (т.е. синаптических) каналов связи предлагается рассматривать как идеализацию, т.е. как предельный, а не общий случай. В качестве противоположного теоретического предела выдвигается представление об идеальной бессинаптической системе, в которой избирательность контактных взаимодействий обеспечивается гетерохимичностью системы и химическими каналами связи. Под идеализацией здесь понимается известный приём анализа, когда, рассматривают теоретическую модель объекта, пренебрегая какими-то из его реальных свойств.

Рассмотрим обе идеализации на примере системы из 3х нейронов – А, Б и В, соединённых так, что система работает как трёхфазный генератор. Нейрофизиологическая феноменология такого рода характерна для реальных нейронных систем (в частности, для нейрональных генераторов ритмической мышечной активности). Интерпретируя, как это принято, такие системы в понятиях синапса, им приписывают свойство анатомической упорядоченности, связывая т.н. постсинаптические потенциалы и упорядоченную нейронную активность с наличием специфических контактов. По синаптической модели, сферой действия нейромедиатора является синаптическая щель – компартмент межклеточного пространства, входящий в состав анатомического канала связи, синапса. Эта особенность модели позволяет пренебрегать разнообразием медиаторов; для функционирования рассматриваемой и любой другой, сколь угодно сложной модели, необходим и достаточен один медиатор. В самом деле, при описании нейронных систем знаниями о химизме нейронов принято пренебрегать как несущественными.

Предположим теперь, что система лишена специфических контактов: вся поверхность каждого из 3х нейронов наделена одинаковыми секреторными и рецепторными свойствами, отростки контактируют случайным образом, переплетаясь в общем, не разделённом на компартменты внеклеточном жидком матриксе. Сможет ли такая бессинаптическая система по-прежнему функционировать? Сможет – при условии, что каждый из 3х нейронов выделяет собственный медиатор и имеет нужный тип рецептора к медиаторам других нейронов. Бессинаптическая модель, в отличие от синаптической, составлена из качественно разнородных элементов (и в этом смысле подобна реальным нейронным системам, которые всегда гетерогенны). Это усложнение сопряжено с такими преимуществами, как простота конструкции (неструктурированный, анатомически неупорядоченный нейропиль, плексус и т.п.) и простота управления (медиатор выполняет роль фактора, интегрирующего систему в целом)».

Системой здесь Сахаров называет локальную нейронную систему (что сейчас назвали бы нейронным ансамблем). На рисунке, которым иллюстрировалось это сообщение, клетки наделялись способностью к постингибиторному возбуждению, как это свойственно всем (или многим) реальным нейронам. Этим обеспечивается спайкование каждой из 3х клеток, которые благодаря трансмиттерным взаимодействиям самоорганизуются в ансамбль, генерирующий трёхтактную циклическую активность. …».

Таким образом, в изучении ЦГ возникла теоретическая оппозиция – анатомия или химия, синаптическая сеть или гетерохимический анасамбль? Оказалось, что реальные генераторы (прежде всего беспозвоночных) изменчивы, что засталяет исследователей отходить от жестких «монтажных схем», приближаясь к гетерохимической гипотезе, согласно которой главный эффект нейромедиатора – не одномоментный «укол», позволяющий импульсу «перескочить», а долговременное тоническое действие на нейроны.

Что говорят данные. У тритонии на клеточном уровне активно исследуется такой акт поведения, как спасительный отскок (escape swim). В природе отскок высвобождается действием химического агента, исходящего от хищника – морской звезды; на препарате он получается стимуляцией нейрона, который назвали командным. Эндогенно упорядоченный поведенческий эпизод представлен серией чередующихся дорзальных и вентральных флексий, которые заканчиваются также внезапно, как начинаются. Априори не видно принципиальных трудностей к тому, чтобы расшифровать этот поведенческий акт (т.е. описать его механизм в терминах межклеточных взаимодействий и понять, что лежит в основе смены фаз и чем обеспечивается должное прекращение поведенческого эпизода).

Экспрессия спасительного отскока тритонии расшифрована с высокой степенью полноты. Сперва объяснения следовали стандартной идеологии жёсткой монтажной схемы. Утверждалась константность функциональных ролей отдельных клеток у интактного животного, и структурная константность всего ансамбля. Это писали Willows & Hoyle в 1968 г., а 20ю годами позже Питер Геттинг пришёл к противоположному заключению: свойства нейронов изменчивы, сеть, генерирующая escape swim, лабильны. Геттинг призвал к радикальному пересмотру представлений об организации нейронных сетей.

Дальше накапливались всё новые данные, свидетельствующие о способности ЦГ к динамическим изменениям. Много дали в этом отношении исследования на стоматогастрическом ганглии ракообразных. На смену монтажным сетям приходили представления о модулируемых генераторах, о радикально перестраивающихся генераторах и даже о способности новообразующихся ЦГ использовать нейроны других сетей. Похожую эволюцию претерпели представления о природе ещё нескольких интенсивно изучаемых ЦГ – локомоторного пиявки и пищевого гастропод. Список таких ЦГ невелик, расширить его можно ещё немного, но данных, посвящённых переформатированию ЦГ, уже немало.

«Рассмотрим феномен переформатирования на знакомом каждому примере локомоторных аллюров. Конь бежит рысцой, переходит на крупную рысь, а потом наездник ударяет шпорами, и рысь сменяется иноходью, при которой координация между конечностями совершенно иная. Что происходит. Управление локомоцией взяла на себя другая нейронная сеть? Так и казалось. Но, может быть, изменилось устройство того же ЦГ?»

Современная версия гетерохимической гипотезы предполагает способность эндогенных паттернов к изменениям. Ранняя версия не предполагала этого, хотя и давала альтернативу синаптическому пониманию ЦГ. Она родилась в ответ на критику ранней версии гипотезы. Мол, акцентируясь на нейротрансмиттерных веществах в межклеточном пространстве, автор жертвует быстрыми (контактными) взаимодействиями нейронов в пользу медленных (дистантных).

На деле же это возражение оборачивается против традиционных взглядов. Сводя действие медиатора к стремительному химическому «уколу» (передал сигнал – и освободил место для другого в синаптической щели), они игнорируют другуюсторону реальности – тоническое действие сигнальных молекул. А оно оказывается особо значимым в генерации упорядоченных паттернов поведения.

Оно оказалось в центре внимания автора, когда исследования перенесли с улитки на морского ангела. У этого хищного пелагического моллюска поведенческий репертуар включает 2 аллюра: «круизное плавание» (чередование активных подъёмов и активных опусканий) и «охотничье плавание» (горизонтальное, стремительное, кругами) + состояние покоя при втянутых крыльях и щупальцах. Эксперименты показывают, что выбор между этими тремя поведениями определяются балансом дофаминового и серотонинового тонусов. И одновременно Т.Дьяконовой было показано, что мембранные характеристики изолированного нейрона моллюска приобретают существенно новые свойства в присутствии определённого трансмиттера или смеси трансмиттерных веществ. Речь идёт не о быстром, уколоподобном действии вещества, а именно о его присутствии в межклеточной среде в станционарной концентрации. Клеточный анализ позволил заключить, что тоническое действие трансмиттерных веществ на свойства нейронов лежит у клиона в основе поведенческого выбора.

Решающее значение тонической активности разных нейротрансмиттерных систем для поведенческого выбора было вскоре подтверждено исследованиями Т.Дьяконовой на лёгочных моллюсках, а затем и на модельном насекомом – сверчке Gryllus bimaculatus. Если для «химического укола» ещё можно вообразить какую-то взаимозаменяемость трансмиттерных веществ, то для тонического действия такое невозможно, ибо у каждого вещества эти эффекты свои.

Вспомним смену аллюров у коня. Синаптическую анатомию ударом шпор не перестроить. А вот взаимодействие между нейронами можно изменить, изменив нейротрансмиттерный состав среды, омывающей ансамбль, что и видим на смене аллюров у клиона. Если ударом шпор [или его естественным аналогом в жизни животных в сообществах – действием социальных релизеров. В.К.] в локомоторный ЦГ [или в ЦГ выдачи ритуализированных демонстраций, как их понимают этологи. В.К.] вспрыскивается химическое послание сенсорных входов – а это почти наверняка так – то может измениться экспрессия клеточных рецепторов и в итоге разом перестроятся отношения между нейронами ансамбля.

Так оппозиция «синаптическая сеть vs гетерохимический ансамбль» перестаёт носить абстрактный характер, все вопросы конкретны и доступны опытному анализу.

1. Однозначно подтверждается, что паттерн-генерирующие ансамбли построены из нейронов разных трансмиттерных фенотипов. Исключений из этого правила (пока) не найдено. Само по себе это не говорит о функции нейронального гетерохимизма, но указывает на его повсеместную значимость — а значит, и на ограниченность, если не ошибочность, классической нейронной теории.

2. Не получается примирить ЦГ с рефлекторной дугой. Если на гетерохимизма зиждется базовая конструкция ЦГ, то и управляющие входы системы должны работать по тем же правилам. Так оно и есть в действительности (т.е. не проходит идея комплементарности отношений между центральной генерацией и рефлексами, повышающей надёжность системы). Что гетерохимизм входов – основа адаптивного управления эндогенной активностью, убедительно показано на стоматогастрическом ЦГ ракообразных. Его эндогенные моторные ритмы генерируются взаимодействием нейронов 2х фенотипов – ацетилхолинового и глутаматного. А модулирующие и трансформирующие влияния входов опосредуются десятками (но всё-таки не сотнями и не тысячами).

Что здесь существенно, что второстепенно? Существенно то, что под влиянием внешнего стимула удалённая секреторная терминаль аксона выделяет специфическую молекулу, которая включается в химическую кухню генерации. А то что посредником между стимулом и секрецией служит здесь электричество (потенциалы действия), это признак второстепенный и необязательный.

3. Опровергнуты диффузионные барьеры, необходимые для надёжного функционирования концептуальной синаптической сети. В конце 1980-х гг.под натиском данных об экстрасинаптической секреции и рецепции трансмиттерных веществ возникло представление об объёмной передаче (volume transmission). Согласно ему вещества, ответственные за межнейронную коммуникацию, диффундируют в экстраклеточном пространстве. Т.е.классический синапс приемлем как теоретическая идеализация, но ни логика, ни факты не дают оснований для сохранения анатомии за синаптической щелью, ограниченной диффузионными барьерами.

Так, в лаборатории автора создали методику по многочасовой детекции нейроактивных веществ в «экстрасинаптическом» пространстве. Это мультичувствительный биосенсор, который представляет из себя изолированную нервную клетку, сидящую на стеклянном микроэлектроде. Несколькими такими сенсорами тестировали среду у поверхности того ганглия, в котором у улитки-прудовика генерируются моторные ритмы радулы и других органов рта и глотки. В качестве контроля в том же ганглии внутриклеточно регистрировали in situ один из известных нейронов, участвующих в пищевой ритмической моторике. Т.е. активность биосенсоров сравнивалась с активностью паттерн-генерирующего ансамбля – и во многих экспериментах первая синфазно или противофазно соответствовала активности нейрона in situ. Т.е. динамически меняющаяся внутриклеточная среда сохраняет паттерн-формирующие свойства даже после выхода (диффузии) химических факторов за пределы ЦГ.

Т.е. в противоположность ранней редакции гетерохимической гипотезы стало понятно, что «управляющая система, построенная из клеток разного медиаторного химизма, должна иметь общее, не разделённое на компартменты межклеточное пространство, доступное каждому медиатору, и состояние системы должно определяться медиаторной ситуацией, складывающейся в каждый момент времени в этом генерализованном пространстве». Здесь существо новаций состоит в признании способности ансамбля по разному собираться в «сеть» при разной концентрации сигнальных молекул в межклеточной среде.

Автор обращает внимание, что «сеть» взята в кавычки (также как Коштоянц брал в кавычки «медиатор»). Оба термина семантически нагружены, что мешает пониманию. Медиатор не передаёт электрический сигнал, а сообщества взаимодействующих нейронов не имеют ничего общего с электрической сетью. Поэтому стоит оставить «сеть» за искусственными нейронами, а биологическим дать название «ансамбля».

О новом гетерохимизме сказано в работе 2010 г.: «Ключевым элементом механизма паттернизации является экстраклеточная среда, решение о выборе паттерна закодировано в её составе. Среда определяет свойства локальных нейронов, характер их произвольной актпвности,свойства самоорганизации в функциональный ансамбль. В среде предсатвлены интеграторы мотиваций (гормоны, метаболиты) и интеграторы быстрых событий, таких как фаза паттерна (нейротрансмиттеры локальных и входных нейронов). Аккумулируя многообразие сигнальных молекул, среда адекватно выражает динамику их тонической и фазической активности, и тем обеспечивает адаптивный характер выходного паттерна ансамбля».

Развитие концепции связано с исследованиями контекст-зависимого поведения. Так, В.Е.Дьяконова (2011) показала, что поведенческий контекст транслируется в экстраклеточный химический контекст, а уже последний реализуется выбором и формированием поведенческого акта.

Сейчас гетерохимическая гипотеза даёт новую, но внутренне непротиворечивую концепцию механизмов управления поведением. В опытах на ЦГ беспозвоночных показано, что трансмиттер-зависимы все проявления поведенческого акта – экспрессия (высвобождение), модуляция (подстройка), перестройка (реконфигурация). Литература огромна. Вдобавок нейротрансмиттерный состав среды детерминирует прямую, без участия периферии, координацию между разными ЦГ.

Трудные вопросы. Их немало. Почему выходной репертуар ЦГ (скажем, локомоторных аллюров) ограничен? Значит ли это, что всякий паттерн-генерирующий ансамбль имеет лишь несколько устойчивых состояний самоорганизации? Если да, какова природа этой устойчивости и как в химическом континууме преодолевается избыточность степеней свободы? Как и что меняется в ЦГ при выработке компенсаторного паттерна, скажем у зверя с повреждённой конечностью? Шире говоря, каковы клеточные и химические корреляты формирования новых устойчивых паттернов?

Успешно развивается нейроэтология генератора,закрепляющая в мозге птенца песенные уроки птицы-наставника [а поскольку молодые самцы выучивают не только песню, но вместе с ней всю хореографию телодвижений поющего «учителя», скорей всего тот же механизм обеспечивает ответ на брачные и территориальные демонстрации в рамках коммуникации. В.К.]. Модель кажется удачной, она уже исследуется на генетическом и микроэлектродном уровне, можно ожидать прорыва в химию.

Что можно извлечь из сравнения гомологичных ЦГ? Есть ли какие-то правила в том, как используется каждый химический фенотип нейронов? Создаётся впечатление, что поведенческая функция той или иной сигнальной молекулы, диверсифицируясь, консервативно сохраняется в пределах крупного таксона, а иногда даже шире – за пределами таких ограничений.

Наконец, на сегодняшний день гетерохимический подход ознаменовался рядом успешных расшифровок, но все они частичны – ни один ЦГ на языке сигнальных молекул не расшифрован полностью.

P.S. Жаль, автор не цитирует данные В.А.Непомнящих по структуризации поведения беспозвоночных и рыб в условиях полного отсутствия внешних стимулов или целиком случайной подачи стимулов разного качества. Второй случай – интенсивно исследованное автором «тестирование» и прикрепление личинкой ручейника Chaetopteryx villosa частиц разного качества к строящемуся домику (либо их отвержение и поиск новых. При полностью случайной подаче стимулов разного качества (стохастическом предъявлении личинке ручейника то скорлупы, то песчинки; первое – хороший материал для домика, второе – плохой), примат реактивности над эндогенной структурированность поведения полностью исключает формирование сколько-нибудь регулярных ответных реакций и, шире, сохранение направленной деятельности из-за невозможности выбрать один из противоположных ответов, возможных здесь. Например, принять частицу – возможный материал для домика или отвергнуть её, двигаясь в поисках новых частиц; двигаться дальше по стеклянной трубке без видимых ориентиров, или сделать разворот и пр.

Работы В.А.Непомнящих показывают, что на деле же эндогенная структурированность поведения не только пересиливает реактивность в ответ на стимулы, но и не нуждается в ней. Почему и реализуется в своём инвариантном виде в ситуации отсутствия таких стимулов или их целиком стохастической подачи. Они позволили описать (и затем смоделировать на компьютере) эндогенную структуру паттерна инстинктивной активности, выдаваемого интактным животным при отсутствии специфических пусковых стимулов во внешнем мире или полной неопределённости стимульной ситуации.

Эта структура (точней, правила её построения, те самые «поведенческие команды» Сахарова) оказывается универсальной у самых разных объектов, может быть и у всех. С одной стороны, она точно соответствует представлениям о CPG, развитым в рамках гетерохимической гипотезы, будучи полученной совсем в другой области – поведенческих, а не физиологических исследований.

С другой, она даёт «материальное воплощение» известным представлениям Лоренца об ауторитмии как своего рода «деятельном ощущении» — стохастически структурированных и ненаправленных «дёрганьях», реализующих инстинктивное поведение в однородной среде и в отсутствии внешних стимулов. Лоренц (и независимо от него Бернштейн) полагали ауторитмию доказательством того, что движения идут впереди ощущений, и структурируются их результатами – как в вышеописанных опытах В.А.Непомнящих с личинками ручейников Chaetopteryx villosa. Благодаря этому механизму, в частности, животные решают плохо формалируемые задачи поиска.

В том числе им показано, что при полном отсутствии сигналов извне (плавании рыбок по круговой трубке без каких-либо меток на стекле и др.) поведение животного реализует вполне определённую структуру, паттерн которой на диво инвариантен. При данной структуре опыта в каждый момент времени животное вольно реализовать одну из двух альтернатив. Скажем, продолжать плыть вперёд или поворачивать назад в отсутствие экзогенного организующего воздействия. Неучёт первенствующей роли ауторитмии заставляет считать, что движения вперёд с поворотами во времени распределяется случайно без какой-либо системы и поведенческая последовательность в целом будет бесструктурной. Но нет, в этих условиях мы обнаруживаем чёткую структуру.

Периоды продвижения вперёд и повороты не изолированы, а собраны в серии. Если животное выполнило одно продвижение вперёд или поворот, оно мотивируется ещё раз повторить то же действие и т.п. Почему однотипные действия собираются в серии. И лишь когда серия вырастет до определённой длины, животное перещёлкивается на исполнение реакций другого типа (в том числе потому, что порог реализации данной реакции растёт, а конкурирующей с ней альтернативной падает).

Данные прямых наблюдений и имитационного моделирования показывают, что все критические характеристики, которыми задаётся структура поведения суть вероятностные, а не детерминистические величины, это вероятность повторения данной реакции в i+1 раз после её реализации в i-ый, ограничивающая длину серии во «снизу во времени», — вероятность переключения особи к альтернативной реакции с удлинением серии «ограничивающая» её же сверху.

А вот от чего характеристики реализуемой структуры поведения зависят детерминистически, а не вероятностно:

a) от уровня общего возбуждения = .активности животного, ненаправленной (положительно; чем он больше, те больше длительность, интенсивность и экспрессия актов каждого типа);

б) от прошлого состояния, как положено в марковской цепи, именно от длины и/или успешности актов, реализованных в прошлой серии. Эта зависимость отрицательна — чем больше их было реализовано, тем выше вероятность перехода к актам альтернативного типа и тем больше эффективность прошлого поведения (или было выше «качество» внешней стимуляции, как в опытах с ручейниками. В случаях стохастической подачи последней её требуется больше, чтобы удерживать особь от подобного перехода.

Это показывает эндогенную детерминацию сугубо той структуры поведения, которая специфична для ауторитмии, особенно характерно, что поведенческий паттерн здесь не просто структурируется «один раз и надолго», но постоянно и закономерно перестраивается, причём закономерности реструктурирования, опять же стохастические и заданные эндогенно. Адаптивный смысл таких «дёрганий» описывал ещё Лоренц, и он существенно увеличивается в мире, где остро не хватает точной информации о происходящем вокруг (в такой ситуации «дёргаться» выгоднее, чем ждать достоверного сигнала).

Другое правило самоорганизации поведенческих последовательностей проявляется при случайной подаче из внешней среды стимулов или объектов разного качества. Например попадание движущейся в поисках корма особи в богатое или бедное микроместообитание, «нащупывание» личинкой ручейника, ищущей материал для домика, частиц, подходящих и не очень. Или сближение и «тестирование» токующей особью потенциальных партнёров (партнёрш), привлечённых её (его) демонстрациями, результатом которого будет образование пары и последовательное сближение партнёров до телесного контакта и популяции, либо отвержение этого партнёра и привлечение новых.

Традиционный подход, основанный на примате реакции на внешние стимулы по сравнению с внутренним структурированием «стержня» активности особи предполагает, что во всех перечисленных случаях стимул вызывает соответствующую ему реакцию, которая продолжается, не прерываясь до прихода следующего стимула, которым и может быть изменена, если тот пересилит. В действительности происходит нечто совершенно иное: при случайной подаче стимулов разного качества животные реализуют эндогенно детерминируемую последовательность, структурированную по тем же правилам, что описаны выше. Отдельные события поступления стимулов «высокого» и «низкого» качества здесь лишь корректируют обе ключевые характеристики поведенческого паттерна – вероятность повторения того же действия, влияющего на длину «серий» и вероятность переключения к альтернативной реакции.

Стимул высокого качества увеличивает первое и уменьшает второе, низкого – наоборот, но в зависимости от прочих событий, чем больше характерных реакций на стимул высокого или низкого качества уже было реализовано особью в прошлых актах, тем выше вероятности отказа реагировать и перемещения в поисках новых стимулов и/или б) переключения на реакцию противоположного типа. Отсюда следуют два вывода о реальной организации инстинктивного поведения;

1) как бы ни был высок уровень мотивации особи, выдача поведения ответа на специфический стимул никогда не является непрерывной во времени. Она всегда «прослаивается» (или рассекается) серией кад перерывов в активности, следующих с определённой периодичностью, в ходе которых животное может переключиться на реакцию противоположного типа или совсем иную, если вдруг «подойдёт» соответствующий стимул.

Тем более, что в реальности все взаимодействия особей происходят в условиях наличия нескольких разнотипных потоков стимуляции, так что животные вынуждены выбрать и обрабатывать что-то одно, но никоим образом не закрывать за собой возможности переключиться на поведение иного типа или вдруг последние станут важнее по объективным (рост «качества» стимуляции) или субъективным (уже довольно реализовано действий прежнего типа, соответствующая мотивация удовлетворена и поднялся порог реагирования).

Собственно, это и обеспечивают вышеописанные правила, чтобы выбор последующего поведения основывался не столько на стимуле, поступившем «здесь и сейчас», сколько на результатах прошлого опыта обработки стимулов этого типа и естественно соотношения стимулов разного типа в зоне активности, которое (соотношение) особи чувствуют на собственной шкуре, сталкиваясь с ними в прошлом. Приспособительное значение этого механизма понятно; он несколько снижает немедленный выигрыш в случае поступления стимула высокого качества, но снижает и плату от реагирования на стимул низкого качества и, главное, резко повышает долговременный выигрыш за реализацию всего поведения особи – тем больше, чем больше длина поведенческой последовательности во времени. В реагировании на непредсказуемо приходящие стимулы, так же, как в филогенетике эндогенно детерминированная косность оказывается важнее адаптивной гибкости. Вторая корректирует и преобразовывает первую, но не создаёт её

(2) в ответ на некоторый стимул извне животное не детерминистически выдаёт соответствующую ему реакцию, но реагирует так, как парусное судно движется галсами. Потенциально возможны как выдача реакции, соответствующей стимулу, так и уход с поиском новой стимуляции и переключение к альтернативной реакции без ухода. Т.е. каждый из стимулов может вызвать, реализуется не монистический, а трихотомический ответ, а вероятности осуществления каждого из вариантов 1-3 заданы прошлым опытом животного в обработке данной стимуляции и уровнем возбуждения.

Другой важный момент, возникший при чтении данной статьи. Стоит лишь перейти от физиологии к этологии: нейроны заменить на особей, а сигнальные молекулы – на N демонстраций видового репертуара, которыми обмениваются особи в определённым образом организованных взаимодействиях друг с другом, определяя кто выиграет, кто проиграет, и мы получаем механизмы коммуникации позвоночных, описанные у меня в «От стимула к символу». И сигнальные свойства демонстраций, конечно, представляющие собой сплав информации и влияния, в разных случаях в разной пропорции: в более примитивных сигналах-стимулах больше второго, в более продвинутых сигналах-символах – первого. Притом что всё описанное там было выведено из чисто этологических данных без какого-либо обращения к физиологии, тем более «нейро».