Открытие двух различных принципов клеточного обучения, каждому из которых присуща ассоциативность, позволило предположить, что ассоциативные механизмы эксплицитного и имплицитного обучения не нуждаются в сложных нейрональных сетях, как это предполагалось ранее.
Классический условный рефлекс
Классические условные рефлексы первым описал в начале 20 века русский физиолог И.П. Павлов. Он увидел в них простейшую форму обучения, при которой образуется ассоциативная связь между двумя событиями. Первым событием является безусловный рефлекс - врожденная реакция организма на специфический для нее раздражитель (например, выделение слюны при появлении пищи в полости рта; сосательный рефлекс у новорожденных, заключающийся в возникновении сосательных движений у младенца при помещении соска в рот.
Вторым событием является условный сигнал. Условным сигналом может стать любой раздражитель, который многократно сочетается с безусловным рефлексом. В первом предъявлении этот раздражитель будет индифферентным (незначимым) для субъекта. Однако в процессе многократного сочетания условного раздражителя с безусловным рефлексом между ними образуется ассоциативная связь - условный рефлекс.
В результате выработки условного рефлекса индифферентный раздражитель становится условным, то есть приобретает способность вызывать реакцию, подобную безусловной. Например, звон посуды на кухне вызывает выделение слюны у человека, воспринимающего этот звук перед обедом. Для того чтобы образовалась условная связь, то есть возникло обучение, необходимы некоторые условия. Например, условный раздражитель должен предшествовать безусловному, причем промежуток времени между ними не должен быть ни слишком коротким, ни слишком длинным.
Э. Кэнделл описал некоторые аспекты выработки условного рефлекса на клеточном уровне у аплизии.
Удобство исследования этого животного связано с тем, что его центральная нервная система аплизии содержит всего около 20 тыс. нейронов. В поведенческий репертуар аплизии входят несколько простых рефлексов, из которых лучше всего изучено рефлекторное втягивание жабры, служащей органом дыхания. Обычно животное втягивает жабру, когда раздражитель воздействует на противоположный участок тела (на мантийный выступ или сифон).
И мантийный выступ и сифон иннервируются собственными группами сенсорных нейронов. Каждая из этих групп прямо контактирует с мотонейронами жабры, а также с различными типами возбудительных и тормозных интернейронов, образующих синапсы с мотонейронами. Э. Кэнделл с соавторами обнаружили, что на основе рефлекса втягивания жабры можно выработать условный рефлекс
Слабое тактильное раздражение нервного пути, обслуживающего сифон, они сочетали с ударом электрическим током по хвостовой части аплизии. В качестве контроля при этом использовали нервный путь, обслуживающий мантийный выступ. Контрольный
нервный путь раздражали столько же раз, сколько и экспериментальный, но при этом раздражение не сочетали с электрическим ударом хвоста.
После пяти сочетаний ответ на раздражение сифона (нервного пути, подвергавшегося обучению) становится сильнее, чем ответ на раздражение мантии (нервный путь, не подвергавшийся обучения). Таким образом, обнаруживается дифференциальное обучение.
Стимуляция сенсорных нейронов, связанных с сифоном или с мантийным выступом, активирует интер- и мотонейроны, следствием чего является рефлекторное втягивание жабры. Безусловное подкрепляющее раздражение "хвоста" активирует многие группы
клеток, включая те, которые вызывают и движение жабры. Среди них не менее трех групп модулирующих нейронов. Они влияют на сенсорные нейроны, связанные как с сифоном, так и с мантийным выступом, и вызывают усиление выделения нейромедиатора из терминалей сенсорных нейронов. Такое усиление выброса медиатора называется пресинаптическим облегчением. Оно составляет основу неассоциативной формы обучения, называемой сенситизацией.
Сенситизация - повышение чувствительности к стимулу, с которым организм встречался ранее. Благодаря этой простейшей форме обучения животное увеличивает разнообразие своих реакций, прежде всего, на действие вредного раздражителя. Поскольку оно не требует сочетания раздражителей, оно не является ассоциативным.
Уже отмечалось, что при формировании условного рефлекса индифферентный раздражитель должен опережать безусловный на некоторый критический промежуток времени. Увеличение или уменьшение этого промежутка времени ведет к ухудшению результатов обучения.
Специфика временных характеристик условного рефлекса втягивания жабры отчасти определяется конвергенцией условного и безусловного раздражителей на одном нейроне. Безусловный раздражитель представлен в сенсорных клетках влиянием модулирующих нейронов. Условный раздражитель представлен в этих же нейронах их собственной активностью. Э. Кэнделл обнаружил, что модулирующие нейроны, активированные безусловным раздражением "хвоста", вызывают большее пресинаптическое облегчение сенсорных нейронов, если сенсорные нейроны незадолго до этого генерировали потенциалы действия в ответ на условный раздражитель.
Это свойство пресинаптического облегчения получило название зависимого от активности. Зависимое от активности облегчение на клеточном уровне требует тех же самых временных отношений, что и обучение на поведенческом уровне, и, возможно, лежит в его основе.
Последовательность процессов при имплицитном обучении можно описать таким образом. При прохождении электрического импульса в пресинаптической терминали серотонин выходит в синаптическую щель и связывается с рецептором на постсинаптической мембране, активирующим фермент аденилатциклазу. Этот фермент превращает аденозинтрифосфат (АТФ) в циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). Последний является внутриклеточным вторичным посредником, функция которого состоит в активации протеинкиназы.
Киназы - ферменты, фосфорилирующие другие белки, что приводит к изменению их активности. Активация протеинкиназы в нейронах имеет несколько важных кратковременных последствий.
Протеинкиназа фосфорилирует белки каналов в клеточной мембране, через которые транспортируются ионы калия (К+). Фосфорилирование этих белков ведет к уменьшению ионного тока калия внутрь клетки, который обычно реполяризует потенциал действия.
Уменьшение калиевого тока продлевает потенциал действия, обеспечивая тем самым большую продолжительность активного состояния кальциевых каналов, что позволяет проникнуть в синаптическую терминаль большему количеству кальция. Кальций выполняет в клетке различные функции, в том числе участвует в высвобождении медиатора из везикул и проникновение его в синаптическую щель. Таким образом, результатом является увеличение нейромедиатора и более выраженная реакция.
Кроме этого, серотонин способствует перемещению везикул с нейромедиатором из мест их резервных скоплений к тем участкам мембраны, где они изливают свое содержимое в синаптическую терминаль. Это облегчает выделение медиатора, не зависящее от притока в клетку кальция. При этом цАМФ действует параллельно с другим вторичным посредником - протеинкиназой С, которая также активируется под влиянием серотонина. Активация нейрона непосредственно перед безусловным раздражением вызывает в нем ряд сдвигов, приводящих к поступлению натрия и кальция в клетку и выходу из нее калия, что приводит к возникновению потенциала действия.
Потенциалы действия имеют критическое значение для имплицитного обучения из-за влияния на ток кальция внутрь сенсорных нейронов. Оказавшись в клетке, кальций связывает белок кальмодулин, который усиливает активацию аденилатциклазы под дейс-
твием серотонина. Когда комплекс кальция с кальмодулином связывается с аденилатциклазой, усиливается образование цАМФ. Это свойство аденилатциклазы заставляет рассматривать ее в качестве центрального пункта конвергенции сигналов от условного и безусловного раздражителей. Таким образом, условный и безусловный раздражители представлены внутри клетки конвергенцией двух сигналов (кальция и серотонина) на одном и том же ферменте.
Как уже отмечалось, эти процессы происходят в тех сенсорных и моторных областях мозга, которые участвуют в работе имплицитной памяти.
Нервные сети изменяются в результате собственной активности. Недавно обнаружены немедленные ранние гены, которые быстро активируются короткими вспышками потенциалов действия. Они кодируют белки, регулирующие экспрессию других генов, тем самым способствуя стойкому изменению генной экспрессии, что может являть механизмом запоминания.
Влияние эмоциональной значимости информации на память
Связь мнемических процессов с эмоциогенными механизмами, будучи очевидной, не является простой
Впервые прямую зависимость эффективности воспроизведения от степени эмоциональной значимости стимула экспериментально продемонстрировал Г. Эббингауз на собственном примере. Позднее было показано, что связь эмоций и памяти не является столь однозначной и зависит как от качества информации, так и от условий ее запоминания и воспроизведения. Так, есть данные, что эмоции улучшают запоминание основной, сущностной информации, но ухудшают запоминание деталей, не связанных с основной информацией.
Показано, что линейный характер связи между памятью и эмоциями имеет место только для умеренно эмоциональной информации (субъективного понятия для каждого испытуемого) и объясняется тем, что эмоция повышает уровень внимания и таким образом улучшает воспроизведение. Повышение эффективности воспроизведения эмоциональной информации может быть обусловлено тем, что эмоциональный компонент энграммы участвует в поддержании уровня активации ЦНС.