Поиск публикаций  |  Научные конференции и семинары  |  Новости науки  |  Научная сеть
Новости науки - Комментарии ученых и экспертов, мнения, научные блоги
Реклама на проекте

Про смену парадигм в нейрофизиологии

Вторник, 23 Июль, 13:07, wolf-kitses.livejournal.com


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 б 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. В.К.].
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 синальные молекул нервной системы биохимической индивидуальностью и предлагала вывод своеобразия каждого нейромедиатора из его донервной регуляторной функции.
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 электр0438ества». Г.А.Бузников доказал участие нейротракнсмиттерных 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 нейрофизиологии[1]: 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. В.К.].
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 1970-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.  – релизерами[2]. 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.].
Читать далее





[1] Что, как он замечает, не следует  путать с лабораторным новоязом, где «парадигма» - методическая пропись [также как в «компьютерной филогенетике» - схема обсчёта данных и техника построения дерева. В.К.]
[2]Релизер – ключевое понятие классической этологии. Это специфические морфоструктуры (брачные украшения, цветные пятна, кожистые выросты и пр.) или действия (демонстрации), которые благодаря специфической форме или характерному образу для рецептивного партнёра являются знаковыми стимулами и в качестве таковых используются в процессе коммуникации. Релизеры - это стимулы, самого факта предъявления которых уже достаточно для высвобождения ответной реакции, точно соответствующей стимулу, если животное находится в соответствующем мотивационном состоянии и рецептивно в отношении данного стимула.
Название происходит от англ. to release – высвобождать, калька исходного немецкого термина der Auslöser. Кроме «высвобождать», auslösen означает «запускать, включать, приводить в действие», и «сбрасывать бомбу в цель» [курсив мой – В.Ф.]. Все эти смыслы покрываются понятием социальных релизеров, как оно введено Лоренцем в работе «Компаньон в мире птиц» (Lorenz, 1935). Коммуникативная действенность релизеров состоит в немедленной «автоматической» выдаче специфического ответа на стимуляцию, который точно соответствует характеру стимула. «Знаковость» релизеров определяется тем, что он действует через специфическую форму демонстрации и связан со специфической ситуацией взаимодействия, в которой употребляется, чтобы быстро и точно её разрешить. Точное соответствие стимула и реакции наиболее существенно в процессе коммуникации, когда обе особи используют дифференцированные наборы стимулов (демонстраций ритуализованной угрозы, ухаживания и пр.) для воздействия друг на друга, а специфические реакции особей также представляют собой демонстрации – элементы того же набора релизеров. Своевременная выдача демонстраций в соответствии с характером стимула позволяет процессу взаимодействия продолжаться и далее, направленно развёртываясь до некого биологически осмысленного результата.

Читать полную новость с источника 

Комментарии (0)