Нейрофизиологические механизмы габитуации и сенситизации

Если генетики больше любых других организмов изучили плодовую муху - дрозофилу, то исследователи биологических основ поведения больше всего преуспели в изучении морского брюхоногого моллюска аплизии, в особенности одного из видов этого моллюска - калифорнийской аплизии (Aplysia californica) - рис. 17.8. Аплизии достигают 30 см в длину и могут весить до 2 кг, их центральную нервную систему образуют не более 20 000 нейронов, сгруппированных в несколько ганглиев; примерно столько же их у дрозофилы. Однако у аплизий нейроны очень крупные, до 1 мм в диаметре, кроме того они располагаются в строго определённом порядке, что даёт возможность уверенно находить у разных особей однотипные сенсорные, моторные и интернейроны, чтобы стимулировать или удалять их, получая при этом одинаковые результаты при работе с разными животными. На протяжении последних 25 лет биологические основы поведения у аплизий особенно много изучали сотрудники лаборатории Эрика Кэндела (Kandel E.) в Колумбийском университете (Нью-Йорк).

Калифорнийский моллюск способен рефлекторно втягивать свой орган дыхания - жабру в специальную мантийную полость. В неспокойном море этот защитный рефлекс вызывается раздражением чувствительных окончаний в коже сифона или мантии взвешенными в воде твёрдыми частицами, в лабораторных условиях его можно получить направленной на кожу сифона струёй воды из баллончика или простым прикосновением к его коже.

Защитный рефлекс у аплизии контролирует абдоминальный (брюшной) ганглий, в котором всего 24 сенсорных нейрона проводят возбуждение от механорецепторов кожи. С помощью медиатора глутамата сенсорные нейроны передают возбуждение шести мотонейронам, контролирующим мышцы, необходимые для втягивания жабры. Кроме того, сенсорные нейроны образуют синапсы с имеющимися в абдоминальном ганглии возбуждающими и тормозными интернейронами. В лаборатории Кэндела путём сочетания нескольких оригинальных исследовательских приёмов были изучены процессы, происходящие в синапсах абдоминального ганглия при образовании привыкания и сенситизации.

Если раздражающий стимул не причиняет вреда, то наступает привыкание (габитуация), выражающееся в том, что защитная реакция постепенно уменьшается, а затем и вовсе исчезает на неделю и больше. Но, если на фоне габитуации будет использован какой-либо сильный раздражитель, действующий на другой участок тела (например, булавочный укол кожи хвоста или действие на него электрического тока), то реакция привыкания сразу же исчезнет (дегабитуация). После получения болевого стимула у аплизии развивается реакция сенситизации, выражающаяся в повышенном реагировании даже на безобидные тактильные стимулы, что наблюдается на протяжении достаточно долгого промежутка времени.

Оказалось, что реакция привыкания обусловлена инактивацией тока ионов кальция в пресинаптические окончания сенсорных нейронов. При повторных раздражениях механорецепторов кожи сифона струёй воды или прикосновением всё меньше и меньше кальция входит в пресинаптические окончания сенсорных нейронов при их возбуждении. Это приводит к уменьшению выделения из них медиатора и, соответственно, уменьшению величины постсинаптических потенциалов, которая становится ниже пороговой.

Открытие механизма габитуации продемонстрировало чрезвычайно простой способ образования долговременной памяти, связанный всего лишь с одним синапсом - его можно назвать гомосинаптической депрессией. В отличие от этого, в реакции сенситизации кроме сенсорных и моторных нейронов должны участвовать интернейроны, в связи с чем сенситизацию можно рассматривать как гетеросинаптическое усиление. Реагирующий на булавочный укол сенсорный нейрон возбуждает интернейрон, который, в свою очередь, действует с помощью медиатора серотонина на пресинаптическое окончание другого сенсорного нейрона, передающего возбуждение от механорецепторов кожи сифона (Рис. 17.9). Серотонин действует на метаботропные рецепторы и вследствие этого активируются вторичные посредники: цАМФ и цАМФ-зависимая протеинкиназа, которая фосфорилирует белки кальциевых мембранных каналов в пресинаптическом окончании. В результате при возбуждении в окончание входит больше ионов кальция, соответственно больше выделяется глутамата, действующего на мотонейрон. Это приводит к увеличению амплитуды и длительности постсинаптических потенциалов, хотя количество и чувствительность постсинаптических рецепторов не изменяется. В лаборатории Кэндела в 80-х годах ХХ столетия было установлено, что для получения сенситизации можно даже не использовать болевой стимул, а просто подействовать серотонином на пресинаптическое окончание сенсорного нейрона. Такой опыт хорошо воспроизводится на изолированных из организма аплизии нейронах - этот упрощённый препарат Кэндел назвал "синапсом, обучающимся в блюдце".

При габитуации и сенситизации были обнаружены две ступени образования памяти: кратковременная и долговременная. Однократное действие серии слабых стимулов приводит к непродолжительной габитуации, а однократно применённый сильный раздражитель или однократное введение серотонина вызывают кратковременную сенситизацию, наблюдаемую на протяжении лишь нескольких минут. Четыре-пять таких тренировок, следующих друг за другом, приводят уже к долговременной сенситизации, сохраняющейся в течение суток, а при дальнейшем повторении тренировок сенситизация сохраняется на протяжении 3 недель и больше.

Оказалось, что при повторяющихся тренировках или повторяющемся действии серотонина в клеточное ядро сенсорного нейрона постепенно перемещается некоторое количество цАМФ-зависимой протеинкиназы, что вызывает фосфорилирование регуляторных белков, управляющих процессом транскрипции - считывания информации с молекулы ДНК. В результате активируются гены, руководящие синтезом белков, необходимых для дополнительного образования активных компонентов всё той же цАМФ-зависимой протеинкиназы.

В дальнейшем происходит образование дополнительных синапсов. Сенсорный нейрон может увеличивать количество своих пресинаптических окончаний в два раза, одновременно с этим отмечается увеличение числа активных зон, из которых непосредственно выделяется медиатор. Образуются дополнительные шипики на дендритах мотонейрона, которые вступают в синаптические контакты с дополнительными пресинаптическими окончаниями аксона сенсорного нейрона (Рис. 17.10). При длительной габитуации наблюдаются противоположные изменения: количество синаптических связей между сенсорным и моторным нейронами уменьшается приблизительно на 1/3 с одновременным уменьшением числа активных зон в синапсах.

Следует напомнить, что привыкание и сенситизация являются неассоциативными формами научения. Болевой стимул или введение серотонина вызывают сенситизацию независимо от совпадения во времени с тактильными раздражениями. Открытие механизмов привыкания и сенситизации, позволило увидеть в уменьшении или увеличении тока кальция в пресинаптическое окончание один из механизмов кратковременной памяти. Образование долговременной памяти оказалось связанным с использованием вторичных посредников, экспрессией генов и возникновением дополнительных синапсов. В принципе такие же механизмы могут быть использованы почти во всех синапсах мозга и нет оснований считать, что изученные механизмы специфичны лишь для каких-то особенных "нейронов памяти".