Участие гиппокампа в реакциях на сигналы маловероятных событий путем регулирования диапазона извлекаемых из памяти энграмм и процесса сравнения с наличными стимулами

В опытах на крысах М. Л. Пигарева [1978] изучала феномен условнорефлекторного переключения разнородных рефлексов по Э. А. Асратяну [1938]. Один и тот же пусковой сигнал - звонок утром подкреплялся пищей, а вечером - болевым электрораздражением. Оказалось, что у гиппокампэктомированных крыс переключение вырабатывается в течение 3-6 опытных дней, в то время как интактные животные не в состоянии выработать переключение и после 30 опытов. Этот парадоксальный результат трудно объяснить простым дефектом памяти, потому что оперированные крысы сохраняют условнорефлекторные связи реакций и с пусковым сигналом, и с более сложным обстановочным раздражителем- «переключателем» (временем суток). Исследователи много раз отмечали, что разрушение гиппокампа у крыс не снижает их способность к выработке новых условных рефлексов, но затрудняет исключение посторонних сигналов из общего потока информации [Rickert, Bennett, Lane, French, 1978], причем гиппокампэктомированные крысы не уступают контрольным, а превосходят их в различении подкрепляемых и неподкрепляемых сигналов [Means, Walker, Isaacson, 1970]. Суть изменения работы мозга в опытах М. Л. Пигаревой состоит в том, что поведение лишенной гиппокампа крысы начинает ориентироваться только на высоко вероятные события: например, только на получение пищи в «пищевой» обстановке. После разрушения гиппокампа поведение перестает осложняться влиянием мало вероятных событии, каким явилось бы болевое раздражение в утренней «пищевой» ситуации (рис. 30).

Рис. 30. Схема последствий гиппокампэктомии

Абсцисса - сигналы; ордината - вероятность их подкрепления.

Рис. 31. Условные двигательные пищевые реакции интактных (1) и гиппокампэктомированных (2) крыс при различной вероятности подкрепления

Ордината - процент правильных реакций в опыте; абсцисса - дни опытов (по М. Л. Пи-гаревой).

Подобное предположение нуждалось в прямой экспериментальной проверке. При выработке условных двигательных рефлексов у крыс с различной вероятностью их подкрепления пищей М. Л. Пигарева установила, что в отличие от контрольных животных гиппокампэктомированные крысы на протяжении 10 опытных дней не в состоянии выработать условные реакции при случайном подкреплении пищей только 33 или 25% предъявлений условного раздражителя (рис. 31). Указания на особую чувствительность гиппокампэктомированных крыс к ситуациям с низкой вероятностью подкрепления можно найти в литературе [Kimble, Kimble, 1970; Iarrard, Becker, 1977]. Становится понятно, почему в опытах Стивенса [Stevens, 1973] гиппокампэктомированные крысы дифференцировали рукава лабиринта с подкреплением 70 и 30% общего количества проб быстрее, чем интактные животные. Понятен и отмеченный многими авторами факт преимущественного участия гиппокампа в ранней стадии выработки условных рефлексов, когда мозг еще не накопил необходимой статистики, и вероятность подкрепления условного сигнала остается проблематичной [Morrell, Barlow, Brazier, 1960]. По данным Сигал и Олдса [Segal, Olds, 1972], нейроны гиппокампа первыми вовлекаются в процесс интеграции возбуждений от условного (звук) и подкрепляющего (пища) раздражителей при выработке условного пищевого рефлекса.

На протяжении длительного времени гиппокампу приписывали чуть ли не ведущую роль в генезе эмоциональных состояний. Предполагалось, что именно в гиппокампе, этом «сердце лимбической системы», интеграция соматических и вегетативных компонентов эмоции завершается возникновением субъективного переживания. Однако эти представления не подтверждаются фактами. Двустороннее повреждение гиппокампа у животных практически не сказывается на агрессивности, реакции избегания при болевом раздражении другой особи, половом и родительском поведении. У больных с двусторонним инсультом в гиппокампе сохраняются яркие отрицательные эмоции [De Jong, Itabashi, Olson, 1969]. Мы полагаем, что результаты опытов М. Л. Пигаревой и И. И. Вайнштейн позволяют ответить на вопрос о роли гиппокампа в генезе эмоционального напряжения.

Ранее было замечено, что выработка переключения оборонительного и пищевого условных рефлексов у интактных крыс сопровождается ярко выраженными вегетативными эффектами: мочеиспусканием, дефекацией, пиломоторными реакциями, учащением дыхания. У некоторых животных возникало невротическое состояние, изъязвления кожи; переключение разнородных условных рефлексов у таких животных выработать не удалось. У гиппокампэктомированных крыс эти вегетативные симптомы отсутствовали.

Для более объективного анализа изменений вегетативных функций в процессе выработки условнорефлекторного переключения на 5 гиппокампэктомированных и 4 интактных крысах была поставлена специальная серия опытов с регистрацией электрокардиограммы. В камере, разделенной перегородкой на два идентичных отделения, вырабатывали переключение разнородных (пищевого и оборонительного) условных рефлексов на один и тот же звуковой раздражитель. К выработке оборонительного условного рефлекса (двустороннего избегания) приступали после закрепления в течение 10-15 опытов пищевого условного рефлекса (открывание дверцы кормушки). Переключателем служил мелькающий свет, включаемый за 1 мин до первого предъявления звукового сигнала, сопровождавшегося болевым раздражением. Мелькающий свет действовал на протяжении всей «оборонительной» части опыта. В первой половине опыта 10 предъявлений звука (с интервалом 1-3 мин) подкрепляли пищей, после включения мелькающего света 10 предъявлений звукового раздражителя подкрепляли током (0,8-1,0 мА), подаваемым на проволочный пол, если крыса в течение 5 с не перебегала в соседнее отделение камеры.

Электрокардиограмму, двигательные реакции животного и отметки предъявляемых раздражителей регистрировали на самопишущем приборе. Для отведения электрокардиограммы за несколько дней до начала экспериментов всем крысам были вживлены специальные серебряные электроды, которые выводились в разрез, сделанный на бедре и крепились к мышце. Подпаянная к электроду изолированная покрытием проволочка выводилась под кожей с помощью зонда к голове, где вместе с индифферентным электродом укреплялась на поверхности черепа.

В процессе выработки пищевого условного рефлекса общее поведение и условнорефлекторная деятельность интактных и оперированных крыс существенно не отличались. Частота сердечных сокращений у гиппокампэктомированных крыс, в среднем, была несколько ниже, чем у интактных, и составляла соответственно 345 и 385 ударов в минуту.

При введении оборонительного подкрепления у интактных крыс наряду с описанными выше вегетативными реакциями: интенсивной дефекацией во время предъявления звукового раздражителя и в межсигнальных интервалах, мочеиспусканием, пилоэрекцией, учащением дыхания значительно возрастала частота сердечных сокращений. На рис. 32 приводятся средние данные, отражающие динамику частоты сердечных сокращений при предъявлении раздражителей и при выполнении двигательных реакций. Видно, что предъявление звукового условного сигнала в первом опыте вызывает у интактных крыс снижение частоты сердечных сокращений, тогда как предъявление мелькающего света, как и осуществление пищевой двигательной реакции, возвращает этот показатель к исходному уровню. После болевого раздражения наблюдается сначала резкий подъем, а потом некоторое снижение частоты сердечных сокращений. Более наглядно эти данные представлены на рис. 33, где частота сердечных сокращений выражена в процентах по отношению к фону, принятому за 100%. Видно, что резкое увеличение этого показателя происходит после электроболевого раздражения (через 2 и 10 с после выключения тока).

У гиппокампэктомированных крыс во время первого опыта по выработке переключения частота сердечных сокращений изменялась незначительно (рис. 32). В пищевой ситуации звуковой сигнал, так же как у интактных крыс, вызывал снижение частоты сердечных сокращений. Выключение звука возвращало частоту сердечных сокращений к исходному уровню. Частота сердцебиений у оперированных крыс снижалась и при включении мелькающего света, а в момент действия тока и на протяжении первых 10 с после егр выключения частота сердечных сокращений практически не изменялась. Таким образом, в первый день выработки переключения частота сердечных сокращений у гиппокампэктомированных крыс не отличалась от фона.

Во время второго опытного дня предъявление условного звукового раздражителя вызывало у интактных крыс не снижение, как в предыдущем опыте, а резкое увеличение частоты сердечных сокращений (см. рис. 32). После выключения звука она столь же резко падала до фонового уровня. Увеличение частоты сердечных сокращений наблюдалось и при предъявлении звука на фоне мелькающего света. Еще большее учащение происходило через 2 и 10 с после выключения болевого раздражения.

У гиппокампэктомированных крыс во время второго опыта частота сердечных сокращений также увеличивалась, особенно при предъявлении звукового раздражителя на фоне мелькающего света, однако резкие спады и подъемы кривой, характерные для интактных крыс, у них отсутствуют (см. рис. 32). Интересно, что в ответ на звуковой сигнал в пищевой ситуации оперированные крысы в отличие от интактных отвечают снижением частоты сердечных сокращений, а не резким учащением по сравнению с фоном.

Рис. 32. Частота сердечных сокращений (уд/мин) у контрольных (а) и гип-покампэктомированных (б) крыс в I, II и III опытах по переключению

1 - в начале опыта, 2 - звонок, 3 - выполнение пищевой реакции, 4 - выключение звонка, 5 - мелькающий свет, 6 - звонок на фоне света, 7 - через 2 с после выключения тока, 8 - через 10 с (по И. И, Вайнштейн и М. Л. Пигаревой).

Рис. 33. Частота сердечных сокращений в процентах к фону, принятому за 100, в опытах с переключением

Обозначения те же, что на рис. 32 (по И. И. Вайнштейн и М. Л. Пигаревой).

На протяжении всего третьего опыта по выработке переключения как в пищевой, так и в оборонительной ситуации у интактных животных наблюдалась тахикардия, выраженная в большей или меньшей степени в зависимости от действующих раздражителей. Ярко проявлялись и другие вегетативные компоненты оборонительной реакции, причем адекватная двигательная оборонительная реакция у этих крыс, как правило, отсутствовала. Частота сердечных сокращений у гиппокампэктомированных крыс практически не отклонялась от фонового уровня (рис. 33). Во время третьего опыта у 4 оперированных крыс зарегистрировано уже 100%-ное, а у одной - 90%-ное адекватное выполнение пищевого и оборонительного условных рефлексов.

Теперь мы можем ответить на вопрос о том, относится ли гиппокамп к системе мозговых структур, формирующих эмоциональное напряжение. Гиппокамп неправомерно относить к разряду эмоциогенных структур, если рассматривать его как систему «центров» страха, ярости, удовольствия наподобие гипоталамуса.

Гиппокамп явно принадлежит к числу структур, реализующих эмоциональные состояния, поскольку он обеспечивает реакции на сигналы с низкой вероятностью их подкрепления, то есть форму поведения, чрезвычайно характерную для эмоционально возбужденного мозга. Животное, лишенное гиппокампа, одновременно утрачивает и признаки эмоционального напряжения, и способность реагирования на сигналы маловероятных событий.

По-видимому, гиппокамп играет роль не только входного фильтра информации, подлежащей или не подлежащей регистрации в долговременной памяти [Виноградова, 1975], но принимает участие и в извлечении следов из памяти на предмет их использования в текущем поведении [Hirsh, 1974]. Если животное без гиппокампа целиком зависит от наличных стимулов и реагирует по принципу «стимул - реакция» (вспомним гиппокампэктомированных крыс в опытах с условнорефлекторным переключением), то в интактном мозге следы могут быть извлечены из памяти независимо от внешних стимулов и обеспечить ожидание этих стимулов по механизму тонических обратных условных связей [Асратян, 1974]. Фактором, активирующим энграммы ранее воспринятых раздражителей, в последнем случае служит возбуждение мозгового субстрата потребностей - голода, жажды и т. п. Возрастание количества реакций на сигналы маловероятных событий зависит от деятельности двух механизмов: от расширения диапазона актуализированных следов и от снижения критериев «принятия решения» при сопоставлении этих следов с наличными стимулами, поступающими из внешней среды.

Электрофизиологическим коррелятом механизма, квантующего поток извлекаемых из памяти энграмм, является тета-ритм, столь характерный для электрической активности гиппокампа. Все ситуации, в которых мы наблюдаем усиление тета-ритма, будь то ориентировочный рефлекс, поисковое поведение, организация сложных неавтоматизированных движений, появление признаков эмоционального напряжения и т. п., обладают одной общей для них чертой: перечисленные случаи требуют активной мобилизации ранее выработанных условных связей, извлечения хранящихся в памяти энграмм для сопоставления с поступающими извне сигналами или для «пересмотра», рекомбинации следов в целях построения новых приспособительных действий. Л. А. Преображенская [1978] показала, что повышение частоты и регулярности тета-ритма наблюдается в опытах с переключением у собак, когда: 1) животное недостаточно четко различает оборонительную и пищевую ситуацию; 2) не завершено формирование полноценного инструментального оборонительного рефлекса.

В результате своих систематических экспериментов Т. Н. Ониани пришел к заключению о том, что тета-ритм в гиппокампе свидетельствует о наличии мотивационного возбуждения, проявляющегося в поиске объектов, способных удовлетворить имеющуюся потребность. Оба этих симптома (тета-ритм и мотивиробанное поведение) можно наблюдать при стимуляции латерального гипоталамуса. Если стимуляция гипоталамуса не вызывает мотивированного поведения (например, при раздражении дорсо-медиального ядра), в гиппокампе регистрируется десинхронизация электрической активности. Торможение мотивированного поведения (например, при стимуляции вентромедиального ядра) также сопровождается десинхронизацией в гиппокампе [Ониани, Унгиадзе, Абзианидзе, 1970]. Амплитуда и частота гиппокампального тета-ритма у крыс, голодавших 22 часа, заметно возрастают по сравнению с тета-ритмом крыс, подвергнутых 3-часовой депривации. Голодные крысы активно исследуют окружающую среду в отличие от малоподвижных сытых животных [Ford, Bremner, Richie, 1970].

Видовые особенности тета-ритма отнюдь не свидетельствуют о том, что у разных видов тета-ритм имеет совершенно различное функциональное значение, поскольку видовые характеристики тета-ритма коррелируют с особенностями ориентировочно-исследовательского поведения у представителей данного вида [Bennett, French, Burnett, 1978]. Несколько лет назад мы писали вместе с М. В. Фроловым: «Тета-ритм особенно характерен для ситуации активного поиска путей удовлетворения возникшей потребности» [Симонов, Фролов, 1970, с. 154]. Связь тета-ритма с внешним поисковым поведением, равно как и с пересмотром хранящихся в памяти энграмм (в том числе - в состоянии парадоксального сна), все больше привлекает внимание исследователей [Арашвский, Ротенберг, 1978].

Связь гиппокампального тета-ритма с процессами фиксации следов в памяти и с процессами извлечения этих следов обнаружена в экспериментах различного типа. На ранних стадиях выработки условного рефлекса (фиксация следов) тета-волны в гиппокампе опережают тета-волны в височной коре. При упрочении условной связи тета-волны энторинальнои коры опережают волны в гиппокампе, происходит воспроизведение следов [Adey, Dunlop, Hendrix, I960]. В опытах с опознанием определенных объектов высокая степень когерентности в пределах узкой полосы частот около б Гц между электрической активностью гиппокампа, зрительной и сенсомоторной коры сопровождала только правильные ответы [Эйди, 1969]. При однократном обучении крыс ударом электрического тока степень сохранения условного рефлекса хорошо коррелирует с выраженностью гиппокампального тета-ритма в период после обучения [Landfield, Me Gaugh, Tusa, 1972]. Стимуляция перегородки у кроликов и крыс с параметрами раздражения, которое усиливает тета-ритм в гиппокампе, ускоряла выработку условного рефлекса и способствовала его сохранению [Wetzel, Ott, Matthies, 1977; Кориневская, 1978]. Перечисленные и подобные им факты служат дополнительным свидетельством в пользу гипотезы о связи тета-ритма с механизмами извлечения следов из памяти и их сопоставления с наличными стимулами.

Процесс выработки условных рефлексов у интактных и гиппокампэктомированных животных имеет одно интересное отличие (см. рис. 31). При вероятности подкрепления порядка 100-50% интактное животное сравнительно быстро начинает давать высокий процент условных реакций. У гиппокампэктомированных крыс в первые дни сочетаний условные реакции практически отсутствуют, а затем стремительно, на протяжении одного - двух опытных дней достигают критерия выработки. Создается впечатление, что в отсутствие гиппокампа продолжает работать какой-то «счетчик подкреплений» (по-видимому, новая кора), реализующий условные реакции только после набора статистики, надежно прогнозирующей подкрепление. Что касается мозга с неповрежденным гиппокампом, то для него достаточно сравнительно небольшого количества сочетаний, чтобы «выдвинуть гипотезу» о закономерном следовании подкрепления после каждого предъявления условного сигнала. К. Прибрам и Р. Дуглас считают одной из важных функций лимбических структур способность «сохранять предположение», несмотря на отвлечение внимания и неподкрепление [Pribram, Douglas, Pribram, 1969].

Все сказанное выше позволяет говорить о важной роли гиппокампа в творческой деятельности мозга, в порождении гипотез, тем более, что у человека гиппокамп доминантного полушария вовлекается в анализ словесных сигналов, а гиппокамп правого полушария - в анализ невербальных стимулов. Подобная функциональная асимметрия противоречит представлению о гиппокампе как о древнем и потому - примитивном образовании, способном только к осуществлению элементарных функций.

С другой стороны, будучи «органом колебаний и сомнений» гиппокамп, несомненно, вовлекается в патогенез невротических заболеваний. Если бы мы имели возможность временно и обратимо выключать гиппокамп, мы, наверное, получили бы в свои руки одно из самых эффективных средств профилактики и лечения неврозов.